CAPITOLO I CARATTERISTICHE DEL SISITEMA FERROVIARIO 1.1 LE ORIGINI DEL TRASPORTO SU ROTAIA Il trasporto di merci e di persone su una guida vincolata come la rotaia vede tra i suoi motivi d uso l avvento della trazione a vapore; infatti, l introduzione della macchina a vapore, con la prima locomotiva costruita da Richard Trevithick, ingegnere meccanico, nel 1804 mostrata in figura 1.1, che aveva una grossa caldaia, comportava un elevato peso assiale che poteva essere meglio sopportato, allora quando ancora non era stato introdotto il pneumatico, da una strada di ferro [1], [2]. Fig. 1.1- La prima locomotiva a vapore di R. Trevithick L introduzione della trazione a vapore, però, non giustifica la nascita e soprattutto lo sviluppo della trazione su rotaia [3]; infatti, la macchina a vapore fece i suoi primi passi su una strada normale con un veicolo costruito da Cugnot venti anni prima dell introduzione della locomotiva a vapore, inoltre, l espansione della rete ferrata è avvenuta anche dopo l introduzione di macchine motrici meno pesanti come quelle con motore a combustione interna o con motore elettrico, perciò, la principale ragione che porta alla costruzione delle prime ferrovie si deve trovare nella riduzione dello sforzo di trazione permesso dalle rotaie. Lo dimostra la prima ferrovia che nacque nel 1530 in 1
una miniera del Sud Tirolo costruita con rotaie di legno dove scorrevano carri pieni di minerali trainati da cavalli. La riduzione dello sforzo di trazione, soprattutto rispetto alla trazione su strada comporta, allora come oggi, una migliore efficienza energetica del mezzo di trasporto ferroviario. 1.2 EFFICIENZA ENERGETICA I consumi energetici di un mezzo di trasporto sono direttamente correlati alla resistenza specifica all avanzamento che nel caso della trazione su rotaia su un tratto piano e in rettifilo è di 2,5 dan/t, invece per la trazione su strada alle stesse condizioni è compresa tra 10 30 dan/t variabile in funzione del tipo di veicolo, dell elasticità del pneumatico e del tipo di strada [4]; quindi, su rotaia, gli sforzi di trazione su un tratto rettilineo sono in media dieci volte inferiori rispetto alla trazione su strada, mentre per i tratti in curva, dove gli sforzi per l inserzione sono in diverso rapporto tra rotaia e strada e per i tratti in pendenza, che sono indipendenti dall attrito tra ruota e piano di rotolamento, si ha una uno sforzo di trazione che è almeno cinque volte inferiore a quello su strada. I consumi energetici del trasporto ferroviario sono, quindi, più favorevoli del trasporto su gomma e ciò implica una migliore efficienza che si può esprimere introducendo un fattore adimensionale d utilizzo dell energia: f Q p D p = 1.1) E pari al rapporto tra le unità di trasporto effettuate (tonnellate di carico pagante distanza percorsa D p ) e l energia spesa Q p per la E e ponendo come base unitaria i veicoli meno efficienti e prendendo in considerazione i seguenti mezzi di trasporto: automobile, aereo, autobus, treno passeggeri, autotreno, treno merci, si ricava quindi la tabella 1.1. Tab.1.1 - Utilizzo energia vari mezzi di trasporto Mezzi di trasporto Fattore utilizzo energia Automobile, Aeroplano 1 Autobus 3.5 Treno passeggeri 5 Autotreno 7 Treno merci 12 Tra questi i mezzi meno efficienti sono l automobile e l aereo; infatti dal grafico di figura 1.2 dove è rappresentata la retta di massima efficienza dei mezzi di trasporto (in nero quella riferita agli anni 1950 e in celeste quella riferita al 2007), si nota che l autovettura e l aereo civile sono i più lontani dalla retta celeste di massima efficienza, rispettivamente con 80 CV/t e 180 km/h e 150 CV/t a 400 km/h (aereo a turboelica), a minore distanza si trova l autobus con 6 CV/t a 90 km/h, segue il trasporto ferroviario 2
con il treno passeggeri che si avvicina notevolmente alla retta di massima efficienza con 16 CV/t a 160 km/h, seguono a poca distanza l autoarticolato o autotreno con 5 CV/t a 100km/h e infine in treno merci con 7 CV/t a 120 km/h [5], [6], [7], [8], [9]. Aereo autovettura Autobus Treno passeggeri Treno merci Autoarticolato Fig. 1.2 - Retta di massima efficienza energetica dei vari mezzi di trasporto Rappresentando, per comodità i valori del fattore d utilizzo d energia su un istogramma, come da figura 1.3, si ottiene conferma a quanto detto prima; infatti, si ha che i mezzi che hanno un maggiore utilizzo d energia sono l automobile e l aereo, poiché la prima ha un basso carico pagante in rapporto all energia spesa e il secondo ha un elevata energia spesa, dovuto alle lunghe tratte servite dall aereo, nei confronti di un non elevato carico pagante, entrambi sono presi in riferimento come i mezzi meno efficienti ponendo il fattore f a 1; dalla figura 1.3 si nota che il treno passeggeri è più efficiente dell autobus e il treno merci è più efficiente dell autotreno (maggiore differenza si ha tra l autotreno e il treno merci perché è maggiore l entità del carico pagante delle merci rispetto ai passeggeri), tale efficienza è dovuta al fatto di potere trainare un elevato 3
numero di veicoli con motori di grossa taglia e quindi con maggiore rendimento rispetto ai tanti piccoli motori termici dei veicoli su strada che sarebbero necessari per trasportare un carico di pari entità. 14 12 10 8 f 6 4 2 0 aereoplano treno treno automobile autobus psseggeri autotreno merci Mezzi di trasporto Fig. 1.3 - Istogramma utilizzo energia 4
Il trasporto ferroviario, però, è ancora poco utilizzato: in Italia, ad esempio, l incidenza sui consumi d energia di tutti i modi di trasporto è, come raffigurato in figura 1.4, del 30%, di questo il 94% è del trasporto su strada il 2% del trasporto ferroviario e il 4% dei trasporti sia aerei che navali, ma il trasporto ferroviario, per il minore attrito tra ruota e rotaia è il più efficiente e quindi sarebbe notevole il vantaggio economico realizzabile trasferendovi parte del trasporto stradale Questo vantaggio va confrontato, però, con gli altri vantaggi e svantaggi come l occupazione della via, la composizione dei treni, intermodalità e interoperabilità e la trazione elettrica esposti nei prossimi paragrafi. 2% 4% trasporti su strada trasporti ferroviari trasporti aerei e navali 94% Fig. 1.4 - Consumo energia nei trasporti 5
1.3 OCCUPAZIONE DELLA VIA Uno degli svantaggi fondamentali del trasporto su rotaia deriva dalla stessa causa che riduce gli sforzi di trazione che è la minore resistenza specifica all avanzamento [10]; infatti, se da un lato si ha una riduzione degli sforzi di trazione dall altro, a causa della minore aderenza ruota-rotaia, come mostrato in tabella 1.2, si hanno sforzi e distanze di frenatura maggiori che nel trasporto su strada e questo comporta la costruzione d impianti di distanziamento dei treni affidati ad uomini o automatici, da cui deriva un maggiore costo da sostenere nell infrastruttura ferroviaria. Tab. 1.2 - Coefficienti d aderenza in ferrovia e su strada Tipo di contatto Coefficiente d aderenza Ruota-rotaia 0,33 (caso di trazione elettrica con equipaggi statici di trazione) Pneumatico-asfalto 0,8-0,9 (asfalto asciutto) Da quanto detto, quindi, sembrerebbe che l occupazione della via in ferrovia sia minore che nel caso della trazione stradale, ma la ferrovia sfrutta al massimo la sua strada con composizioni di veicoli ad elevata capacità, inoltre ottimizza il tempo d occupazione della via con impianti di blocco automatico, ripetizione dei segnali e controllo della velocità. In particolare, per il confronto del numero di passeggeri che si possono trasportare su un ramo di una linea di trasporto, sia essa una ferroviaria a 1-2 binari o una strada a 2-4-8 corsie, bisogna considerare la capacità ovvero il carico massimo sopportabile da un ramo. Il carico massimo è dato dalla portata massima del ramo qmax ricavabile dalla seguente relazione riferita ad una sola direzione di marcia ( 1 binario o 1-2corsie) [11]: * v C = qmax = 1/ Tmin = [1/s] 1.2) δ min - Distanziamento temporale minimo tra 2 veicoli: Tmin - Velocità critica (corrispondente alla velocità a cui si ha la portata massima): v* - Distanziamento spaziale minimo tra due veicoli: δmin Per ricavare il numeratore e il denominatore dell equazione 1.2) bisogna definire il tipo di circolazione che è in atto sul ramo considerato. La circolazione si può classificare in 2 modalità che sono la circolazione in blocco mobile e la circolazione in blocco fisso. Circolazione in blocco mobile Questa si basa sull ipotesi che il distanziamento tra due veicoli istante per istante è variabile ed è solo funzione dello spazio di frenatura (caso di circolazione stradale). Il distanziamento minimo tra due veicoli è dato dalla somma dello spazio di frenatura, della lunghezza del veicolo e da un franco di sicurezza come mostrato dalla relazione 1.3): 6
δ = S + L f [m] 1.3) min f v + - Spazio di frenatura: Sf - Lunghezza veicolo: Lv - Franco di sicurezza: f Lo spazio di frenatura è dato, nell ipotesi di moto uniformemente accelerato, dalla: 2 S f = V / 2a [m] 1.4) - Velocità iniziale: V - Decelerazione costante del veicolo: a La velocità critica è invece data dal flusso (o portata) corrispondente al di stanziamento minimo: V q = [1/s] 1.5) δ min Facendo la derivata rispetto a V della 1.5) e ponendola pari a zero si ricava la velocità critica data dalla 1.6): V * a = 2 ( L f ) v + k [m/s] 1.6) - Fattore di sicurezza funzione dell intervallo di tempo che intercorre tra l istante in cui si avverte il pericolo e l istante in cui s inizia a frenare: k La capacità è allora data dalla: V C = δ * min = 2k a ( L f ) v + [veicoli/ora] o [veicoli/giorno] 1.7) 7
Circolazione in blocco fisso con segnalamento concatenato ad n aspetti In questo caso ci si basa sull ipotesi di suddivisione della tratta in sezioni di blocco di lunghezza predefinita, ciascuna protetta da un primo segnale luminoso che porta accoppiato l avviso del segnale successivo. Il segnale luminoso può assumere n aspetti suddivisi tra un verde, un rosso e n-2 gialli come da figura 1.5, tutti i segnali luminosi dopo il primo sono contenuti nella sezione di blocco che finisce in corrispondenza dell ultimo segnale (nel caso della figura 1.4 il rosso). V G1 G2 G.. R b/(n-2) b/(n-2) b/(n-2) b-(n-2) b Fig. 1.5 - Blocco fisso a n aspetti Il distanziamento minimo è dato dalla: δ = d ( n, b) + Lt + f 1.8) min - Distanza fissa che deve essere maggiore o uguale alla lunghezza della sezione di blocco b in modo che il treno non rallenti alla vista del primo giallo, ed è funzione dei numero n di aspetti luminosi che determinano la distanza tra i due treni: d(n,b) - Lunghezza del treno: Lt - Franco di sicurezza: f La distanza fissa d deve essere maggiore della lunghezza della sezione di blocco in modo tale che il treno che segue veda sempre il verde e quindi abbia sempre via libera, e la sezione di blocco deve avere una lunghezza maggiore o uguale allo spazio di frenature per motivi di sicurezza. Si ha quindi la catena di disuguaglianze: d b spazio di frenatura 1.9) Dalla figura 1.5 se n sono gli aspetti del segnale luminoso (n=1verde+1rosso+(n- 2)gialli), la sezione di blocco, che è compresa dal primo giallo incontrato al rosso, è suddivisa in b/(n-2) sottosezioni. 8
La distanza fissa, quindi, che deve essere maggiore di b ed è somma della distanza della sezione di blocco più una sottosezione aggiuntiva pari ha b/(n-2) che ha la funzione di cuscinetto, vedi relazione 1.10): d b n 1 = b + = b 1.10) n 2 n 2 - Lunghezza sezione di blocco: b - Numero aspetti del segnale luminoso: n Il flusso in corrispondenza della distanza minima è dato dalla: q = v n 1 b + L n 2 t + f 1.11) Facendo la derivata prima della 1.11) e ponendola a zero si ricava la velocità critica: 2ab v * = 1.12) k con lo stesso significato dei simboli riportato sopra. La capacità è quindi data dalla: v C = δ * min = 2ab k n 1 b + L n 2 t + f 1.13) Infine per passare da numero di veicoli o treni su ora al numero di passeggeri o tonnellate di merci l ora bisogna introdurre la capacità nominale di trasporto pari al prodotto della capacità C per il numero di passeggeri ( o tonnellate merci) per treno o veicolo P data dalle relazioni 1.14) e 1.15): C t = C P 1.14) con: [Ct] = [numero posti (tonnellate merci)/ora] [C] = [numero treni (veicoli)/ora] [P] = [numero posti (tonnellate merci)/ora] Nel caso dei treni il numero di posti o tonnellate merci per treno sono dati da: P = n *σ 1.15) con: 9
[n] = [numero vagoni (carri) /treno] [σ] = [numero posti (tonnellate merci)/vagone]=[numero posti (tonnellate merci)/treno] Nel caso dei veicoli su strada si fa riferimento per P esclusivamente al numero di posti per veicolo o alle tonnellate di merce trasportate dal singolo autoarticolato. Utilizzando le relazioni sopra riportate e la tabella 1.3 che riporta i valori di n, σ e P per i veicoli su ferrovia e per quelli su strada in modo da passare dalla capacità espressa in termini di numero di veicoli/ora alla capacità espressa in posto/ora, si può fare un confronto in termini di capacità tra il trasporto su ferrovia e il trasporto su strada riferendosi prima alle linee urbane e poi alle linee regionali e nazionali. Tab.1.3 - Valori coefficienti delle relazioni 1-14) e 1-15) per trasporto ferroviario e per trasporto stradale Treno Viaggiatori n σ P 11vagoni/treno 60 660(posti/treno)= (450 m di posti/vagone 566t lunghezza (tonnellate lorde treno) di treno) Autoveicolo Merci 25 carri/treno (650 m di lunghezza treno) 90 tonnellate/carr o 2250 tonnellate lorde/treno merci Pulman - - 50 posti (autobus 100 posti compresi quelli in piedi) Auto - - 4 posti Autoarticolat 43,86 t o 1.3.1 LINEE URBANE Nel trasporto urbano la mobilità negli anni passati è stata sempre più rivolta verso l uso del mezzo individuale, facilitato anche da politiche favorevoli e massicce campagne pubblicitarie [12]. L aumento del traffico veicolare, però, ha coinvolto le aree urbane con questioni inerenti la congestione, la sicurezza stradale, l inquinamento ambientale e acustico. L attenzione a queste tematiche ha portato, negli ultimi anni, all incentivazione dello spostamento di parte del traffico privato verso le modalità di trasporto pubblico soprattutto su ferrovia (metropolitane e tranvie), avendo questa una maggiore capacità. Nel grafico di figura 1.6 si pone in relazione la capacità data dalla 1.7) e 1.14), 1.15) alla velocità commerciale data dalla: 10