COSTRUZI IONI DI STRA ADE, FERROV VIE ED AERO OPORTI. Introduzione al corso

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1 ONE DI STRADE, FERR Introduzione al corso

2 Concetti introduttivi L evoluzione nella progettazione delle infrastrutture di trasporto ha seguito in modo sistematico l evoluzione della tecnologia dell industria meccanica

3 Cosa sono le infrastrutture? Strutture di base necessarie per l utilizzazione del territorio, utilizzazione che può essere di tipo: agricolo, urbano, industriale, turistico, etc Infrastrutture sono quindi: le strade, gli acquedotti, le fognature, gli elettrodotti Tra le infrastrutture, una funzione fondamentale hanno quelle di trasporto che sono non solo assolutamente indispensabili, ma anche di importanza prioritaria in quanto consentono: diaccedere ad una porzione di territorio antropizzata di stabilire comunicazioni tra diversi territori Da esse, infatti, dipende lo sviluppo economico e culturale di ogni comunità grazie alla possibilità di realizzare la libera circolazione dei beni e delle idee

4 Sintesi storica delle infrastrutture di trasporto

5 Evoluzione delle velocità operative

6 Tassi di crescita annuali delle infrastrutture

7 Le strade romane avevano anche la stessa sezione delle strade moderne

8 Le strade romane avevano praticamente la stessa struttura delle strade moderne

9 L evoluzione della rete stradale 100 A.C D.C.

10 ONI DI STRADE, FERR Ing. T. Giuf

11 I VEICOLI STRADALI Tutti i veicoli ad eccezione di quelli per uso agricolo o per trasporti speciali devono avere dimensioni e pesi conformi quanto prescritto dal Codice della Strada. I veicoli a quattro o più ruote devono iscriversi in una sagoma limite di 2,50 m di larghezza e 4,00 metri di altezza (autobus e filobus urbani possonoarrivare a 4,30 m). Le lunghezze massime consentite sono: -Veicoli a 2 o più assi 12,00 m - rimorchi con un solo asse 7,50 m - autoarticolati ed autosnodati 16,50m - autoreni con rimorchio 18,00 m Per i veicoli a due o tre ruote i valori limite sono: Larghezza 1,60 m; Altezza 2,50m Lunghezza 4,00 m

12 I VEICOLI STRADALI Inscrivibilità dei veicoli stradali nella fascia massima di ingombro

13 I VEICOLI STRADALI I pesi dei veicoli stradali sono stabiliti dal Codice della strada come segue: -Asse singolo Pmax=120 kn - Asse Tandem -d<1,00 m Pmax = 120 kn - 1,00<d<1,30m Pmax = 160 kn - 1,30<d<2,00m Pmax = 200 kn

14 I VEICOLI STRADALI Spettri di traffico di veicoli commerciali per differenti categorie di strade

15 I VEICOLI STRADALI Si definisce caratteristica di trazione di un veicolo la relazione T=f(V)che fornisce la legge con cui varia lo sforzo di trazione alla periferia eifeia delle ruote motrici tii in funzione della velocità del veicolo

16 I VEICOLI STRADALI Dati di targa caratteristici per il dimensionamento geometrico del nastro stradale

17 LE RESISTENZE AL MOTO Le resistenze sono suddivise in due grandi categorie: ordinarie ed addizionali Le resistenze ordinarie sono quelle che i veicoli incontrano per il solo fatto di muoversi. Le resistenze addizionali sono quelle dovute a particolari situazioni di marcia. Per la valutazione delle resistenze al moto si preferisce prendere in considerazione le resistenze specifiche, od unitarie, cioè le resistenze riferite ad ogni tonnellata di peso dei veicoli [kg/ton]

18 LE RESISTENZE AL MOTO Resistenza al rotolamento Nella resistenza al rotolamento vengono conglobate quella di rotolamento vero e proprio (lavoro di deformazione delle ruote e della pavimentazione) ed altre: attrito di perni, resistenze it degli organi motori e dll della trasmissione i collegati alle ruote motrici, resistenze dovute ai giunti (ferrovie), od alle asperità della via, etc. La resistenza al rotolamento in pratica è pari alla forza che occorre impiegare per far muovere il veicolo in orizzontale ed a bassa velocità, trainandolo o spingendolo; La resistenza al rotolamento cresce con il diminuire della pressione di gonfiaggio gg o e con l aumentare della velocità; eo dipende dpe de dal disegno del battistrada e dallo stato della pavimentazione (asciutta o bagnata). E proporzionale al peso gravante sulle ruote motrici attraverso un coefficiente μ (0,02 0,035)

19 LE RESISTENZE AL MOTO Resistenza di attrito ai perni La resistenza di attrito ai perni è nettamente più bassa e può ritenersi conglobata nei valori del coefficiente μ Per V=20 km/h Per V=100 km/h μ=0,02 autoveicoli μ=0,025 autocarri μ=0,025 autoveicoli μ=0,035 autocarri

20 LE RESISTENZE AL MOTO Resistenza dell aria La resistenza dell'aria è dovuta al complesso di fenomeni che un corpo in movimento immerso in un fluido (l'aria) determina in esso: sovrapressione nella zona investita anteriormente t (spostamento t dll della massa fluida per attraversarla), attrito sulla superficie laterale del corpo intorno a cui il fluido spostato tende a rinchiudersi, depressione nella zona posteriore. Indicando con ρ la densità dell'aria, con S la superficie frontale, o maestra, del corpo in movimento, con c il coefficiente di forma che tiene conto della sagoma del corpo, la resistenza dell'aria è data da: e la resistenza specifica

21 LE RESISTENZE AL MOTO Resistenza dell aria La superficie maestra, il coefficiente di forma ed il peso, sono caratteristiche invariabili di ogni veicolo; la densità dell'aria invece è variabile con la temperaturat e lapressione; se si introduce nel calcolo l il suo valore medio, al livello del mare, anch'essa può essere compresa in un'unica costante k il cui valore dipenderà soltanto dalle unità adoperate nella misura della velocità: E pertanto la resistenza e dell aria offerta al moto oo di un veicolo o può esprimersi come: R a = k S V 2

22 LE RESISTENZE AL MOTO Resistenza ordinarie I valori medi per la resistenza di rotolamento ed il coefficiente di aerodinamicità K sono riportati nella Tabella che segue:

23 LE RESISTENZE AL MOTO Resistenza di livelletta La resistenza di livelletta è data dalla componente della forza peso, parallela al piano viario, che nelle salite si oppone al moto dei veicoli: Se con α si indica l'angolo di inclinazione del piano stradale rispetto all'orizzontale sarà, riportando il peso in tonnellate e la resistenza in kg: R l = 1000 P sen α A causa della piccolezza dell'angolo α (in generale <7 ) si può scrivere: l Ovvero dividendo per P si ottiene la resistenza specifica di livelletta in Ovvero dividendo per P, si ottiene la resistenza specifica di livelletta in kg/ton espressa dal numero che indica in la pendenza della livelletta.

24 LE RESISTENZE AL MOTO Resistenza di livelletta Quando la strada è percorsa in discesa, cioè quando la pendenza è negativa, anche la resistenza diventa negativa, cioè si trasforma in forza attiva che si somma allosforzo di trazione.

25 LE RESISTENZE AL MOTO Resistenza in curva - μ c La resistenza in curva è la somma di tutte le resistenze supplementari che conseguono alla variazione della direzione del moto; soltanto intuitivamente, iti t può affermarsi che è inversamente proporzionale al raggio della curva percorsa. E trascurabile per le autovetture e per i raggi di curvatura superiori ai 100 m, mentre per i mezzi pesanti ed in curve di raggio inferiore ai 50 m può raggiungere valori pari a 8-12 % 0 del peso del veicolo

26 LE RESISTENZE AL MOTO Resistenza d inerzia La resistenza di inerzia è la forza che, su ogni corpo di massa m, si oppone alle variazioni della sua velocità e quindi ha la seguente espressione: Nei veicoli in cui vi sono masse di una certa entità che durante la marcia sono animate di moto rotatorio, occorre tener conto della ulteriore resistenza che queste masse, per l'effetto giroscopico, oppongono alla variazione della loro velocità di rotazione. Di ciò si tiene conto moltiplicando la resistenza di inerzia per un coefficiente β determinato in funzione del peso degli organi rotanti (β = 1,00 per autoveicoli) Quindi, la resistenza specifica di inerzia è in generale:

27 LE RESISTENZE AL MOTO Equazione della trazione E possibile formulare l equazione della trazione con cui si determina lo sforzo necessario per vincere tutte le resistenze al moto. Nel caso più generale: T = P(μ + μ + ksv 2 c ± i ± β/g dv/dt) I segni meno che compaiono nell equazione della trazione si riferiscono, rispettivamente, alla marcia in discesa ed alla fase di decelerazione ed in questi casi non figurano come resistenze al moto ma come azioni che tendono a favorirlo

28 L ADERENZA a. Ruota portante o condotta Una ruota trainata, detta anche portante perché serve soltanto a portare il carico che su di essa grava è sottoposta al seguente sistema di forze: C -P : peso che grava sull'asse della ruota; -T : forza traente, applicata all'asse; -Q : resistenza di attrito al perno; -RR f : resistenza di attrito tra ruota e pavimentazione; quando, sottoposta alla forza traente T, la ruota tende a traslare rispetto alla pavimentazione, nel punto C, di contatto tra i due corpi, si genera una forza R f di attrito, che si oppone alla traslazione relativa ed il cui valore massimo possibile è R fmax = P f Pf avendo indicato con f il coefficiente di attrito volvente tra le due superfici.

29 L ADERENZA a. Ruota portante o condotta Perché la ruota rotoli regolarmente sulla superficie stradale, senza strisciamenti, si dovrà verificare che: R f = T R fmax ed ancora M r = T r > M p ecioèlaforza d'attrito che nasce, pari alla forza traente, deve permettere la generazione di un momento di rotolamento M r maggiore di quello resistente al perno, M p =Qa; In altri termini, si dovrà verificare che: T x r = R f x r > Q x a e, dividendo per r, T = R f > R dove R=Qa/rrappresenta la resistenza di attrito al perno come se fosse una forza esterna applicata all'asse dll della ruota

30 L ADERENZA a. Ruota portante o condotta Se invece risultasse T > R fmax e R fmax = R ovvero T > R = R fmax la ruota avanzerebbe senza rotolare o, come si suole dire, pattinando; mentre, qualora risultasse T > R fmax e R fmax >R ovvero T > R fmax >R la ruota, oltre a pattinare, avrebbe anche un parziale rotolamento. Infine nel caso che: R f =T<Rx f max ed M=Tx r<m p (ovvero T < R) non si avrebbe moto

31 L ADERENZA b. Ruota motrice Esaminiamo ora il caso di una ruota motrice, cioè di una ruota a cui, attraverso opportuni organi, viene trasmesso un momento motore M, che può supporsi dovuto alla coppia Txr= M. Per effetto della coppia M la ruota tende a rotolare sulla pavimentazione, ma non potrebbe avanzare se questa non si opponesse con una forza R f =T, spostando nel punto di contatto C tra dette superfici, il centro di istantanea rotazione del sistema, che altrimenti rimarrebbe coincidente con l'asse della ruota. Poiché in generale si verifica la condizione: R f =T>Σ R m, il movimento avviene come se la ruota fosse trainata da uno sforzo di trazione T = M / r

32 L ADERENZA b. Ruota motrice Nel caso in cui, per eccesso del momento motore, risultasse T>R fmax, la ruota avanzerebbe ancora, ma slittando, cioè con successivi scorrimenti della propria superficie su quella della superficie stradale. Al limite se R f 0, la ruota non potrebbe avanzare e, di conseguenza slitterebbe senza traslare. La forza R f che si oppone allo slittamento della ruota sulla pavimentazione trae origine dalla mutua azione delle due superfici a contatto che determina come un ingranamento tra le rispettive asperità macroscopicheomicroscopiche ih i i h R f è della stessa natura della resistenza di attrito volvente, però al contrario di questa, è una forza attiva a cui viene dato il nome di aderenza, il cui valore massimo può intendersi, come la forza di trazione (o di frenatura) limite prima che si rompa il legame cinematico di rotolamento tra ruota e pavimentazione ed avvenga lo slittamento.

33 L ADERENZA b. Ruota motrice In sintesi, l'aderenza è la forza esterna che, fornendo un appiglio alle ruote, consente la traslazione ai veicoli dotati di motore. L'entità dell aderenza d disponibile, ibil come l'attrito, è data dal prodotto del peso che grava sulle ruote motrici, o peso aderente P a,perilcoefficiente di aderenza f a edipendedalvalorechequest'ultimoassumeinfunzionedella natura e dello stato delle superfici a contatto. La condizione necessaria perché il veicolo possa avanzare è in ogni caso T = f a P a

34 L ADERENZA Il coefficiente di aderenza f a è direttamente legato alla superficie S di contatto ed al peso P a (f a aumenta con l aumentare di S edip a ). Occorre inoltre considerare che: -f a non si mantiene costante con la velocità, ma diminuisce al suo aumentare; - la presenza dell acqua fa diminuire di poco f a se la pavimentazione è pulita, mentre lo riduce sensibilmente (dal 20% al 30%) in caso contrario; se il velo d acqua ha spessore molto piccolo (< 0,5 mm) e la velocità dl del mezzo non è molto elevata, l acqua viene drenata attraverso le sculture del pneumatico, mentre se la quantità di acqua è > 2 mm può generarsi il fenomeno dell aquaplaning

35 L ADERENZA Curve di variazione del coefficiente di aderenza con lo spessore del velo idrico (pneumatico efficiente i / pneumatico liscio) ed in funzione della velocità

36 L ADERENZA Curve di variazione del coefficiente i di aderenza con la natura della superficie della pavimentazione ed in funzione della velocità UNIVERSITA DEGLI STUDI DI ENNA KORE

37 L ADERENZA UNIVERSITA DEGLI STUDI DI ENNA KORE ONI DI STRADE, FERR Ing. T. Giuf