Corso di Progettazione di Sistemi ed Infrastrutture di Trasporto

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1 Corso di Progettazione di Sistemi ed Infrastrutture di Trasporto Il Tracciato Appunti a cura di Sergio d Elia Demetrio Festa Giuseppe Guido BOZZA

2 Testi di riferimento Lucio Mayer, Impianti ferroviari, 1 Volume, Ultima edizione. Cantarella G. E. (a cura di), Sistemi di trasporto: tecnica ed economia, UTET, 2007, capitolo 2 Trasporto ferroviario, di G. Malavasi (testo generale già consigliato per il corso di Fondamenti di trasporti). Le slide non sostituiscono il libro di testo, possono solo costituire un riepilogo degli argomenti trattati.

3 Criteri di impostazione del progetto Una nuova linea ferroviaria o una ristrutturazione, nasce principalmente da: Esigenze di traffico viaggiatori e merci per un determinato territorio Politiche e strategie di pianificazione Esigenza di ridistribuzione modale Decongestionamento della rete stradale Formazione di una rete più ampia Creazione di un valido sistema di trasporto

4 L infrastruttura ferroviaria - definizioni Linea ferroviaria = l insieme delle infrastrutture e costruzioni civili e tecnologiche Sede ferroviaria = l intero ambito dell infrastruttura sul quale circolano i treni. Corpo stradale = l insieme delle opere civili per la predisposizione della sede (opere d arte, opere di difesa, di protezione, di confine, etc.) Sovrastruttura stradale = parte superiore costituita da massicciata e armamento Opere complementari = sentieri pedonali, vie di accesso, etc. Impianti funzionali per i viaggiatori e per le merci = infrastrutture idonee allo svolgimento delle attività operative, tecniche e commerciali connesse alla circolazione ferroviaria Impianti tecnologici = impianti per l energia per Trazione elettrica, luce e forza motrice, impianti di segnalamento e sicurezza, impianti per telecomunicazioni, etc.

5 Linea ferroviaria E l infrastruttura necessaria e idonea a far viaggiare un treno o altro convoglio ferroviario tra due località di servizio in un determinato momento o periodo di tempo. Compongono la line: la sede ferroviaria, l infrastruttura tecnologica e gli impianti funzionali per i servizi merci e viaggiatori

6 Classificazione delle linee ferroviarie La linea ferroviaria viene classificata in base alle proprie caratteristiche costruttive e funzioni Le distinzioni principali riguardano: il numero di binari (semplice doppio), il sistema di trazione (diesel elettrico), il Rango (A, B, C, P), la massa assiale dei veicoli ammessi a circolare, il massimo grado di prestazione (principale e sussidiario: da 1 a 31)

7 Classificazione delle linee ferroviarie Altri parametri di cui si deve tenere conto nella progettazione di una linea sono: La velocità di circolazione lenta La velocità di circolazione veloce L accelerazione centrifuga non compensata L accelerazione centripeta per ipercompensazione Il modulo della linea (distanza tra due posti di movimento o stazioni) Il modulo dei posti di movimento o delle stazioni (max. lungh. del treno ricoverabile in stazione) Distanza tra due posti successivi di comunicazione Distanza tra due posti successivi di manutenzione

8 Classificazione delle linee ferroviarie in funzione del carico per asse

9 Il piano o modello di esercizio Il piano di esercizio individua il tipo di servizio che si intende realizzare stabilendo l area geografica servita, le direttrici di intervento, le fermate, le interconnessioni tra linee, le possibili coincidenze, la velocità commerciale e la frequenza. Modello di esercizio del nodo di Milano

10 Il piano o modello di esercizio Il piano di esercizio è un elaborato che riporta simbolicamente tutti gli enti di piazzale (binari, scambi, segnali, circuiti di binario, etc.); in esso sono indicati: I binari di circolazione (in stazione, adibiti a ricevimento, partenza e transito dei treni) I binari di corsa (in stazione, sono la prosecuzione dei binari della piena linea, di norma sono di corretto tracciato e servono di norma per i transiti) Gli innesti dei fasci di servizio per le manovre e binari secondari che servono per la sosta dei veicoli dove viene effettuata la pulizia delle carrozze Gli apparecchi del binario e le comunicazioni Le traverse limite I circuiti di binario Fabbricato viaggiatori, di servizio, sottopassi, etc.

11 Il piano o modello di esercizio

14 Il piano o modello di esercizio Generalmente i deviatoi hanno una denominazione più complessa: S60/170/0,12d è un deviatoio semplice per armamento 60 UNI con raggio di curvatura 170m, tangente 0,12 posa destra.

15 Sede ferroviaria E l area sulla quale si svolge la circolazione ferroviaria ed è costituita da: Sovrastruttura ferroviaria armamento (rotaie traverse, apparecchi di deviazione) massicciata (ballast, che sostiene l armamento) parte della sede ferroviaria Il corpo stradale sede stradale opere d arte opere di difesa, di protezione, di confine

16 Il tracciato Il tracciato è formato da una serie di rette e di curve che si inseriscono nel territorio sia sul piano orizzontale che verticale. La sua scelta condiziona l esercizio della linea (velocità max o di fiancata, composizione dei treni, potenzialità, ecc.) Le risorse (economiche e di territorio) da impiegare sono chiaramente maggiori per linee ad elevata scorrevolezza e con maggiore domanda di trasporto.

17 Scelta del tracciato La qualità del tracciato è data da una serie di indici geometrici o energetici tra i quali: velocità di tracciato grado di tortuosità consumo di energia sulla linea andamento planimetrico andamento altimetrico

18 Il tracciato della Anzio Nettuno

19 Il tracciato della Anzio Nettuno Tavola con maggior grado di definizione della precedente, con indicazione di deviazioni e delle stazioni intermedie.

20 Velocità limite di tracciato Velocità limite = è la V max (puntuale) consentita in una curva di raggio R dotata della max sopraelevazione per avere un accelerazione non compensata di: - 0,6 0,8 1,00 m/s 2 ; la formula è: V K * R V in Km/h e R in metri Il valore di K dipende dal rango della linea. Tale velocità è conseguenza del tipo di armamento, di impianti di trazione elettrica, di segnalamento, etc. NB: Per la derivazione della formula e lo studio della sopraelevazione in curva si rimanda al Mayer

21 Velocità limite di rango Rango A: (treni pesanti e merci con locomotive elettriche e diesel) K = 4,62 (max acc. centrif. non comp. = 0,6 m/s2) Rango B: (elettrotreni, elettromotrici ed automotrici e materiale viaggiatori certificato per V = 140 Km/h) K = 4,89 (max acc. centrif. non comp. = 0,8 m/s2) Rango C: (elettrotreni, treni viaggiatori e materiale viaggiatori certificato per V maggiore 160 Km/h) K = 5,15 (max acc. centrif. non comp. = 1,0 m/s2) Rango P: (pendolino e treni alta velocità) K = 6,07 (max acc. centrif. non comp. = 1,6 m/s2) Migliore è la qualità del materiale rotabile minore è il peso che grava sull infrastruttura con baricentri più bassi, maggiore è il comfort di marcia

22 Velocità, raggio e sopraelevazione

23 Linee ad alta velocità: circolazione eterotachica

24 Grado di tortuosità di una linea Il grado di tortuosità del primo ordine, detto anche indice di allungamento, è: lr = distanza tra gli estremi della l l t r linea misurata sull asse delle rotaie, 0 *100 lo = distanza tra gli estremi della 1 l linea misurata in linea d aria 0

25 Grado di tortuosità di una linea Il grado di tortuosità del secondo ordine è: t 2 l l c r *100 lc è la somma delle lunghezze delle tratte con raggio di curvatura inferiore a 1700 m. Lr è la distanza tra gli estremi della linea misurata sulle rotaie

26 Lunghezza virtuale La lunghezza virtuale di una linea è la somma della lunghezza reale più i prodotti delle lunghezze reali per le resistenze accidentali di pendenza, di curva e di galleria: l l ( 1 r r ) 0, 8r v i ci i i g l g Serve per capire l incidenza dei tratti in curva ed in pendenza

27 I gradi di prestazione di una linea Si chiama pendenza compensata il complesso delle resistenze accidentali (di pendenza e di curva): i i r c c La linea ferroviaria è quindi suddivisa in tante sezioni di carico (tratte nelle quali la i c è minore o uguale ad un determinato valore) A tali sezioni viene attribuito un grado di prestazione (tab. seguente) che è un indice che definisce le caratteristiche di una linea in relazione alle resistenza complessiva che essa oppone alla trazione del treno.

28 I gradi di prestazione di una linea I gradi di prestazione sono 31 e vengono indicati in fiancata principale e nel Fascicolo orario. Il primo grado è per linee pianeggianti o in discesa con ampie curve. Una tratta può avere un grado di prestazione principale (che è prevalente sulla tratta) ed un grado sussidiario (più acclive, che si presenta solo su brevi tratti). 3 8 Ad es. significa grado di prestazione 3 (tratto con pendenza compensata non superiore a 5,5 Kg/t) con brevi tratti di grado di prestazione minore o uguale ad 8.

29 Gradi di prestazione di una linea

30 Peso frenato Il peso frenato di un rotabile ferroviario è una misura della capacità di frenare del rotabile stesso. Nei locomotori il peso frenato è in genere minore del peso reale, nelle carrozze e nei carri è il contrario. Il minor peso frenato del locomotore serve ad evitare che il locomotore freni in maniera più energica dei vagoni rimorchiati, che finirebbero per spingere il locomotore stesso. Il peso frenato totale, che è somma dei pesi frenati dei singoli rotabili del treno, deve essere tuttavia elevato. La velocità massima che il treno può raggiungere dipende congiuntamente dalla pendenza della linea e dal peso frenato. La velocità può essere maggiore allorché il treno è dotato di sistemi di frenatura più rapidi (freno elettrico), come meglio si vedrà nel seguito.

31 Il grado di frenatura è funzione della pendenza delle linee; esistono 10 gradi di frenatura, come in tabella.

32 Velocità massima ammessa, in funzione del grado di frenatura della linea e della percentuale di peso frenato del convoglio

33 Idem, per treni dotati anche di freno elettrico

34 Limiti di velocità per vari livelli di tecnologia

35 Caratteristiche tecnologiche di vari treni e locomotori

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37 Le velocità sulle linee ferroviarie Velocità limite: è le velocità alla quale viene percorsa una curva di raggio R dotata di massima sopraelevazione (con accelerazione non compensata pari a 0.6 0,8 1,0 m/s 2 a seconda del rango) V 4, 62 V Su un tracciato già esistente la viene calcolata dalla formula seguente sostituendo il sopralzo h e ponendo il valore della a nc non compensata esistente: R h V 11,8 R 2 s g a nc Velocità di tracciato: è la velocità limite della curva di raggio minimo V i 4,62 R min

38 Velocità di fiancata in funzione dei ranghi Velocità minima (rango A) pari a 50 Km/h in prossimità della stazione di Catanzaro Lido Velocità massima (rango B) pari a 110 Km/h in prossimità del Km 44 Grado di frenatura è un indice che definisce la pendenza di un tratto di linea per ciascun senso di marcia in relazione alle esigenze di frenatura del convoglio

39 Andamento planimetrico Il tracciato è formato da: Rettilinei Curve circolari Curve di transito Raggi minimi per linee ad alta comunicazione sono compresi tra i 650 ed i 1000 m Raggi minimi per iscrivibilità in curva tra i 100 ed i 350 m ( Le FS adottano il valore unico di 150 m)

40 Tipi di curve Policentrica: successione di più curve concordi (se sono sulla stessa parte del tracciato) Flesso; successione di curve discordi (se si trovano su parti opposte del tracciato)

41 Le curve di transizione sul piano orizzontale Clotoidi: sono curve a raggio variabile dal valore infinito del rettilineo a quello della curva circolare. Si calcolano al pari delle strade e con gli stessi parametri

42 Le curve di transizione sul piano orizzontale La successione di due curve aventi centro dalla stessa parte del tracciato (curve concordi) costituiscono una policentrica Le policentriche sono composte da più archi di cerchio di raggio differente, aventi nel punto di contatto la medesima tangente. I due archi di cerchio che compongono la policentrica avranno valori diversi di accelerazione centrifuga non compensata per cui occorre introdurre nel punto di contatto, un raccordo che contenga il contraccolpo e la velocità di rollio

43 Le curve di transizione sul piano orizzontale Curva policentrica Da dati sperimentali, occorrono 1,5 s per permettere alla cassa di ritornare nella posizione verticale dopo una curva.

44 Spazi tra due curve successive Tra due curve successive si deve lasciare un tratto rettilineo di lunghezza (in m): l r 1,5* V 3,6 (Formula usata in Giappone) V = Km/h; 1,5 = tempo in sec affinché la cassa riacquisti l assetto verticale dopo la curva. In Italia si lasciano: 30 m per V 160Km / h 50 m per V 160Km / h

45 Raccordo di sopraelevazione intermedio in una policentrica Tra una curva circolare e la successiva di raggio diverso si interpone un sopralzo che si calcola come in figura

46 Il livello trasversale Si definisce livello trasversale la pendenza del binario espressa come differenza di quota tra le due rotaie misurata normalmente al binario. In rettilineo il livello trasversale è nullo In piena curva il dislivello è pari al sopralzo h In FS (scartamento ordinario) il sopralzo massimo è pari a 160 mm

47 Le curve di transizione sul piano verticale Sono raccordi di sopraelevazione che collegano il tratto di binario privo di sopraelevazione a quello che lo possiede. Vengono generalmente progettati modificando linearmente la sola quota della rotaia esterna e introducendo un leggero arrotondamento all inizio ed alla fine del raccordo.

48 L andamento altimetrico Livellette: tratti a pendenza costante Raccordi tra livellette: cilindrici (in FS R min. = 3000 m per V=200 Km/h). L accelerazione verticale si calcola: a v 2 2 V 200 1,03m 12,96* R 12,96*3000 s 2 Oggi si adottano in FS, per l alta velocità, valori di a v pari a 0,4-0,15 m/sec 2 che portano a raggi dei raccordi verticali di m

49 L andamento altimetrico Ferrovie ad aderenza naturale: Valori max livellette (accordo europeo 1985): 35 : linee specializzate, solo viaggiatori a composizione bloccata. 12,5 : linee promiscue treni viaggiatori e merci. FS ora accetta anche fino al 21 per A.V. Ferrovie a dentiera (cremagliera): Paola Cosenza 75 Ferrovie svizzere (Monte Pilatus) 420

50 Raccordi nel piano verticale La percentuale di accelerazione di gravità che si vuole tollerare in aggiunta (livelletta verso l alto) o in diminuzione (livelletta verso il basso) viene calcolata con: 2 V 127 R Per velocità superiori a 160 Km/h si adotta la seguente formula: R V 12,96 2 max a v con R in metri, V in km/h e a v (accelerazione radiale nel piano verticale) in m/s 2

51 L intervia e l interasse Sulle linee a doppio binario si definisce intervia la distanza tra i bordi interni delle due rotaie interne. Si definisce interasse la distanza tra gli assi dei due binari adiacenti (sempre misurati ortogonalmente all asse del binario. L intervia serve per realizzare franchi di sicurezza tra le sagome dei due treni che si incrociano. Per i treni ad alta velocità i franchi sono maggiori per tener conto dei fenomeni di turbolenza aerodinamica e per garantire un elevato livello di comfort ai passeggeri. Studi recenti hanno dimostrato che: - Per valori superiori a 4,5 m di interasse vi è una riduzione sensibile dell onda di pressione che un treno produce percorrendo una galleria. - il beneficio della carenatura diminuisce con l aumentare dell interasse. - interassi di 3,5 m consigliano limitazioni alla velocità di incrocio in galleria.

52 Allargamento dell interasse in curva Occupazione di sagoma in curva E necessario per consentire l incrocio di carri lunghi in curva senza interferenze. E importante per curve di raggio modesto e si determina dalla tabella seguente

53 Allargamento dell interasse in curva

54 Planimetria e profilo

55 Il profilo limite degli ostacoli (PMO), o SAGOMA Profilo limite FS e Gabarit C

56 Il profilo limite degli ostacoli (PMO), o SAGOMA Profili limite per il trasporto combinato (P: carro Poche; C: cassa mobile)

57 Il profilo limite degli ostacoli (PMO), o SAGOMA Altezza della linea di contatto

58 Il disassamento in galleria È lo spostamento orizzontale da imporre al tracciato della galleria rispetto a quello del binario per mantenere inalterata la distanza minima tra profilo minimo degli ostacoli e paramento. Viene effettuato su linee preesistenti per far circolare treni di sagoma maggiore o velocità superiore.

59 PMO n 1: sagoma G1 (sagoma Gabarit europea) PMO n 2: sagoma B Il disassamento in galleria PMO n 3: sagoma B plus PMO n 4: sagoma C per linee esistenti PMO n 5: sagoma C per linee nuove I valori sono in funzione di b e del sopralzo h