Il tracciato di una linea ferroviaria - ICampus

Corso di
Progettazione di Sistemi ed Infrastrutture di Trasporto
Il Tracciato
Appunti a cura di
Sergio d’Elia
Demetrio Festa
Giuseppe Guido
BOZZA
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.
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
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.
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
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)
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
Classificazione delle linee ferroviarie
in funzione del carico per asse
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
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.
Il piano o modello di esercizio
Il piano o modello di esercizio
Il piano o modello di esercizio
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.
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
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.
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
Il tracciato della Anzio Nettuno
Il tracciato della Anzio Nettuno
Tavola con maggior grado di definizione della
precedente, con indicazione di deviazioni e
delle stazioni intermedie.
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/s2; 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
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
Velocità, raggio e sopraelevazione
Linee ad alta velocità: circolazione eterotachica
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
linea misurata sull’asse delle rotaie,
r
0
• lo = distanza tra gli estremi della
1
linea misurata in linea d’aria
0
l l
t 
*100
l
Grado di tortuosità di una linea
Il grado di tortuosità del secondo ordine è:
lc
t2  *100
lr
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
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:
lv  i li (1  rci ri )  0,8rg l g
Serve per capire l’incidenza dei tratti in curva ed in pendenza
I gradi di prestazione di una linea
• Si chiama pendenza compensata il complesso delle
resistenze accidentali (di pendenza e di curva):
ic  i  rc
• La linea ferroviaria è quindi suddivisa in tante sezioni di
carico (tratte nelle quali la ic 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.
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).
• Ad es. 38 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.
Gradi di prestazione di una linea
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.
Il grado di frenatura è funzione della pendenza delle linee; esistono 10
gradi di frenatura, come in tabella.
Velocità massima ammessa, in funzione del grado di frenatura della linea
e della percentuale di peso frenato del convoglio
Idem, per treni dotati anche di freno elettrico
Limiti di velocità per vari livelli di tecnologia
Caratteristiche tecnologiche di vari treni e locomotori
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/s2 a seconda del rango)
V  4,62 R
• Su un tracciato già esistente la V viene calcolata dalla formula seguente
sostituendo il sopralzo h e ponendo il valore della anc non compensata esistente:
V2 s
h  11,8  anc
R g
• Velocità di tracciato: è la velocità limite della curva di raggio minimo
Vi  4,62 Rmin
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
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)
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)
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
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
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.
Spazi tra due curve successive
• Tra due curve successive si deve lasciare un tratto
rettilineo di lunghezza (in m):
1,5 *V
lr 
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
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
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
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.
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:
V2
2002
av 

 1,03 m 2
s
12,96 * R 12,96 * 3000
• Oggi si adottano in FS, per l’alta velocità, valori di av pari a 0,4 - 0,15 m/sec2
che portano a raggi dei raccordi verticali di 20.000 – 23.000 m
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 ‰
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:
V2

127  R
Per velocità superiori a 160 Km/h si adotta la seguente
formula:
V 2 max
R
12,96  av
con R in metri, V in km/h e av (accelerazione radiale nel
piano verticale) in m/s2
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.
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
Allargamento dell’interasse in curva
Planimetria e profilo
Il profilo limite degli ostacoli (PMO), o SAGOMA
Profilo limite FS e Gabarit C
Il profilo limite degli ostacoli (PMO), o SAGOMA
Profili limite per il trasporto combinato (P: carro Poche; C: cassa mobile)
Il profilo limite degli ostacoli (PMO), o SAGOMA
Altezza della linea di contatto
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.
Il disassamento in galleria
PMO n°1: sagoma G1
(sagoma Gabarit europea)
PMO n°2: sagoma B
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