Andrea Tocchetti Infrastrutture ferroviarie con la collaborazione di Vittorio De Riso e Francesca Mennitti ARACNE
Copyright MMVIII ARACNE editrice S.r.l. www.aracneeditrice.it info@aracneeditrice.it via Raffaele Garofalo, 133 A/B 00173 Roma (06) 93781065 ISBN 978 88 548 1685 5 I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: aprile 2008
Ad Ilio Adorisio e Arturo Polese
Indice Prefazione 13 CAPITOLO PRIMO La progettazione ferroviaria 15 1.I Lo studio plano altimetrico del tracciato ferroviario 15 1.II Il grado di tortuosità e l indice di allungamento 16 1.III Criteri di scelta dei tracciati in Italia ed in Europa 19 1.IV Il corpo ferroviario 20 1.V Sezione trasversale 21 1.VI Sistemi di emergenza per il ripristino di tratti di armamento 27 1.VII Le opere d arte maggiori: i ponti 29 1.VIII Le gallerie 33 1.VIII.1 La sagoma delle gallerie 35 1.VIII.2 L esercizio ferroviario in galleria 38 1.VIII.3 Le parti marginali di una galleria ferroviaria 39 1.IX Verifica di transitabilità delle linee 41 1.IX.1 Generalità sui sistemi di rilevamento dei profili degli ostacoli 47 CAPITOLO SECONDO La piattaforma ferroviaria 55 2.I La sopraelevazione delle rotaie 55 2.II I raccordi di transizione 56 2.III Richiami analitici 57 2.IV Gli effetti della sopraelevazione 62 2.V La velocità ammissibile in curva 65 2.VI I raccordi altimetrici 69 CAPITOLO TERZO La sovrastruttura ferroviaria 71 3.I Definizioni e caratteristiche tecniche 71 7
8 Indice 3.II Sezioni tipo 77 3.III Le rotaie 3.IV Le traverse 82 3.V Gli attacchi 85 3.VI.1 Gli attacchi Pandrol 88 3.VI Le giunzioni 96 3.VII La saldatura della rotaia 98 3.VIII Le controrotaie 100 3.IX Specifiche delle FS italiane per i materiali d armamento e per lavori di rinnovamento e/o costruzione di nuovi binari per linee con Vmax fino a 230 km/h. 101 3.X La tecnologia del binario 108 3.XI Il controllo e la revisione del binario 127 3.XI.1 Le modificazioni del binario sotto l azione del traffico 129 3.XII La qualità della piattaforma ferroviaria 132 3.XIII Il controllo statistico delle irregolarità del binario 136 3.XIV Il treno Archimede 141 3.XV I cicli della manutenzione 143 3.XVI La manutenzione programmata 144 3.XVII Macchine per la manutenzione 145 CAPITOLO QUARTO Gli apparecchi di deviazione 153 4.I Introduzione 153 4.II Gli scambi 158 4.III I principi di progetto degli scambi e dei deviatoi: l analisi del tracciato 165 4.IV Gli aghi e gli apparecchi di manovra 170 4.V Incrociamenti 174 4.VI La rappresentazione di progetto degli scambi 176 4.VII La sopraelevazione delle apparecchiature di scambio 178 4.VIII La geometria dello scambio 179 4.IX Lo studio del tracciato degli scambi 181 4.X Lo studio del veicolo che percorre uno scambio e il modello matematico 185 4.XI Manovra elettrica in traversa (M.E.T) 190 4.XII.1 Manovra elettrica in traversa tipo CTS2 192 4.XII.2 Manovra elettrica in traversa tipo MET2 196 4.XII I passaggi a livello 198 4.XIII Gli attraversamenti ferroviari 202
Indice 9 CAPITOLO QUINTO 215 Dinamica dei veicoli ferroviari 215 5.I Il veicolo ferroviario 215 5.II Fisica del moto ferroviario 218 5.III Le resistenze al moto 222 5.IV La resistenza al moto dei rotabili 226 5.V Resistenza accidentale 228 5.VI Le linee a resistenza di trazione costante e i gradi di prestazione 230 5.VII La resistenza di inerzia 232 5.VIII Le fasi del moto 234 5.IX Le prestazioni di una locomotiva 239 5.X La virtualità delle linee 241 5.XI La frenatura dei treni 244 5.XII Lo sforzo frenante 244 5.XIII Lo spazio di arresto 247 5.XIV Il freno automatico 248 5.XV I requisiti della frenatura 250 5.XVI Cenni sui tipi di frenatura continua 254 5.XVII Cenni sulle tipologie di organi frenanti 256 5.XVIII Cenni sulle norme e sul grado di frenatura delle linee 257 5.XIX Sistemi moderni di valutazione per la frenatura 257 CAPITOLO SESTO La circolazione ferroviaria 261 6.I Introduzione 261 6.II Gli impianti di trasporto 262 6.III La circolazione ferroviaria nei suoi aspetti fondamentali 263 6.IV Il distanziamento ed i regimi di circolazione: i caratteri pratici del problema 264 6.IV.1 Il blocco elettrico conta assi (B.c.a) 267 6.IV.2 Il blocco elettrico automatico (B.A.) 271 6.IV.3 Il blocco automatico banalizzato con ripetizione continua dei segnali (B.A.c.c.) 278 6.V Il problema delle precedenze 279 6.VI Le manovre nelle stazioni 284 6.VII La capacità di traffico dell infrastruttura ferroviaria 287 6.VIII La capacità di traffico delle stazioni 297 6.IX Il segnalamento ferroviario 300 6.X Lo studio per anamorfosi del piano schematico dei binari 308 6.XI Alcuni ulteriori approfondimenti sulla circolazione e sul distanziamento 311
10 Indice CAPITOLO SETTIMO L impiantistica ferroviaria 323 7.I Le infrastrutture per l alimentazione 323 7.I.1 Sistemi di alimentazione in corrente continua e alternata 324 7.I.2 Cenni sul dimensionamento degli impianti di alimentazione 328 7.I.3 I sistemi di sospensione della linea di contatto: cenni 330 7.I.4 La sospensione della catenaria 337 7.II Le infrastrutture per i collegamenti terra treno via radio nei tunnel: generalità 342 7.II.1 Introduzione allo studio dell illuminazione elettromagnetica nei lunghi tunnels ferroviari su linee elettrificate 344 7.III Le infrastrutture per la logistica ferroviaria 353 7.III.1 Gli impianti per lo smistamento 362 7.III.2 La geometria di un impianto di smistamento 363 7.III.3 Le implicazioni di tipo energetico 368 7.III.4 Gli impianti ferroviari per l industria 371 7.III.5 Sull infrastruttura portuale 372 7.III.6 Gli impianti ferroviari nei porti 375 7.III.7 Le infrastrutture per la logistica intermodale 377 CAPITOLO OTTAVO Le stazioni ferroviarie 387 8.I Definizioni 387 8.II Le stazioni e i centri urbani 389 8.III I criteri per lo studio del piano di stazione 391 8.IV Il piano schematico di stazione 393 8.V I fabbricati per l utenza 395 8.VI Le attrezzature e i binari per il servizio merci 399 8.VII I fasci elementari di binari per il movimento e le manovre dei treni 405 8.VIII Gli impianti per i trasporti combinati strada rotaia 410 CAPITOLO NONO Le ferrovie metropolitane 413 9.I Criteri di scelta del sistema 413 9.II Le stazioni 419 9.III La sede ferroviaria in galleria 432 9.IV Considerazioni indicative sui costi 437 9.V L armamento 437 9.VI Il rapporto fra rete stradale urbana e tracciato di una metropolitana 452 9.VII Recenti sviluppi delle ferrovie in ambito urbano 453
Indice 11 CAPITOLO DECIMO Il sistema ferroviario italiano per l alta velocità 463 10.I Generalità 463 10.II Le caratteristiche costruttive dell infrastruttura 473 10.II.1 L andamento altimetrico 474 10.II.2 Il corpo ferroviario e le opere d arte:generalità 475 10.II.3 Le caratteristiche tecniche 491 10.III L alimentazione delle linee 494 10.IV Il segnalamento 501 10.V Dagli ATC all ERTMS: il nuovo sistema di comando e controllo della circolazione 512 10.VI L ERTMS in Italia 520 10.VII La sicurezza in esercizio 529 10.VIII Il materiale rotabile 535 CAPITOLO UNDICESIMO Le infrastrutture ferroviarie e l ambiente 545 11.I Considerazioni generali sul rumore 545 11.II Il rumore ferroviario. Metodologia U.S.A. 550 11.III Le direttive ORE per la ricerca sul rumore 556 11.IV Il monitoraggio acustico 563 11.V Gli effetti sull ambiente per velocità superiori ai 250 km/h 566 11.VI Gli interventi anti rumore 572 Bibliografia 573
Prefazione Questo lavoro vede la luce in un periodo di grande e rinnovato fervore per il trasporto su ferro. Lo spirito col quale è stata affrontata la materia ferroviaria è quello di un apprendimento nuovo, che dia al tempo stesso un contributo alla conoscenza e all'interesse per gli aspetti molteplici che afferiscono allo studio della ferrovia. La maggiore difficoltà incontrata è stata quella di cercare di dare ai capitoli una continuità legata, appunto, al raggiungimento di questi obiettivi. Lo sviluppo della ricerca ferroviaria, la complessità dell'organizzazione del trasporto, le sue implicazioni con quello metropolitano, l'intermodalità, l'alta velocità ferroviaria sono aspetti che sotto il profilo infrastrutturale ed economico non potevano non essere considerati. Il libro consta di due parti. La prima introduce alla conoscenza del mondo ferroviario da un punto di vista infrastrutturale con riferimento alle componenti di questo modo di trasporto: il treno, la sovrastruttura ferroviaria e le loro interazioni; inoltre, si affronta lo studio del corpo ferroviario. La seconda parte tratta temi riguardanti la movimentazione, la circolazione e il distanziamento ferroviario negli sviluppi recenti e nelle implicazioni legate all'innovazione tecnologica dell'alta velocità ferroviaria. Nell'intento di dare un quadro della sostenibilità ambientale di una infrastruttura ferroviaria, si espongono infine le implicazioni ambientali relative. 13
CAPITOLO PRIMO La progettazione ferroviaria 1.I Lo studio plano altimetrico del tracciato ferroviario Gli elementi fondamentali che caratterizzano un tracciato ferroviario sono il raggio minimo delle curve e la pendenza longitudinale massima delle tratte. Questi elementi vengono fissati in funzione della velocità massima, del numero e del peso dei singoli treni. Le curve incidono, quindi, sulla velocità di percorrenza di una linea, e, con le pendenze longitudinali determinano il grado di prestazione della linea medesima, equiparabile alla resistenza al moto dei convogli, incidendo quindi sulla potenza dei mezzi di trazione. Nel campo ferroviario la pendenza longitudinale viene indicata in millesimi. La pendenza longitudinale massima teorica per una linea ferroviaria è quella sulla quale sia ancora possibile, al limite, tenere ferma una locomotiva, frenata. Tale pendenza è di 1 : 7, circa il 140. Si tratta però di un limite da non superare, in pratica, sia perché il coefficiente di attrito potrebbe diminuire per cause accidentali sia perché non risulterebbe possibile alle locomotive, che tra l'altro non sono sempre ad aderenza totale, rimorchiare dei veicoli. I valori pratici assunti per la pendenza massima sono quindi, in genere, molto inferiori alla metà del valore massimo teorico sopraindicato. In una ferrovia ordinaria, ad aderenza naturale, non si dovrebbe 15
16 Capitolo 1 mai superare la pendenza del 35. È questo infatti il valore che attualmente viene ammesso sulla rete italiana. Per una linea a grande traffico e con velocità fino a 160 km/h è opportuno limitare la pendenza massima al 12. La pendenza del 35, per lunghe tratte, è accettabile per l'alta velocità ferroviaria su percorsi dedicati ai soli treni viaggiatori. Per contenere la pendenza massima nei limiti prestabiliti, il sistema più semplice sarebbe quello di incrementare la lunghezza di un tracciato. Nelle ferrovie questo principio tuttavia ridurrebbe la velocità di percorrenza della linea. Si vedrà, a tal fine, parlando del binario, come una curva possa essere affrontata, a parità di ogni altra condizione, a velocità più elevata nelle ferrovie a scartamento ridotto ovvero nelle linee di montagna. 1.II Il grado di tortuosità e l indice di allungamento La sequenza dei rettifili e delle curve genera, come è noto, una forza centrifuga che tende a ribaltare il veicolo, sollecita la rotaia esterna del binario e riduce il comfort dei viaggiatori. A tali inconvenienti si pone rimedio compensando, almeno in parte, la forza centrifuga anzidetta con una componente della forza peso ottenuta inclinando il piano del ferro, sul quale circolano i rotabili, ovvero soprelevando la rotaia esterna alla curva. La relazione che lega la velocità massima ammissibile al raggio di curvatura del binario è del tipo: R è espresso in metri V max in km/h. I valori della costante C, coefficiente di esercizio, valgono: 4.619 per i treni di tipo A (treni pesanti con locomotive elettriche o Diesel);