2. SISTEMI DI TRASPORTO COLLETTIVO URBANO 2.1 Classificazione

2. SISTEMI DI TRASPORTO COLLETTIVO URBANO

2.1 Classificazione

L’interesse è qui limitato alla trazione elettrica. I sistemi di trasporto collettivo urbano si suddividono in [2] :

- sistemi ordinari : filovie, tramvie, metropolitane leggere (light rail), metropolitane, ferrovie regionali ;

- sistemi speciali : funicolari, ascensori, linee a cremagliera ;

- sistemi non convenzionali o innovativi : autobus elettrici, bus bimodali, monorotaie (monorail), sistemi automatici, ecc.

Si descrivono brevemente alcune caratteristiche dei sistemi principali.

FILOBUS

Sistema a guida libera su gomma, a trazione elettrica (rete aerea), con marcia a vista, su sede generalmente promiscua e talvolta in sede riservata. I primi esperimenti con filobus (trolleybus in inglese) risalgono al 1882 a Berlino, ma solo agli inizi del Novecento si hanno le prime linee in servizio. Il filobus differisce dall’autobus unicamente per il sistema di trazione, con il conseguente vincolo alla rete aerea bifilare di alimentazione. Ne discendono vantaggi ambientali: nessun inquinamento atmosferico e basso inquinamento acustico, comfort, minori costi di esercizio e manutenzione (per l’affidabilità del motore elettrico), lunga durata del veicolo (20-25 anni). Gli svantaggi sono il vincolo alla rete aerea, che rende impossibili deviazione temporanee e comunque costi notevoli per modifiche alle linee, l’impatto visivo della linea aera, l’elevato costo d’impianto e delle vetture (compensato dalla durata). Per ridurre il vincolo alla rete aerea sono stati realizzati veicoli con alimentazione diesel o a batteria. In fase di sperimentazione sono dei veicoli bimodali, capaci di funzionare indifferentemente come autobus o come filobus, già in servizio in alcune città quali Nancy e Grenoble. Dato l’elevato costo del sistema, la tendenza è quella di ricorrere a veicoli ad elevata capacità per cui buona parte dei veicoli più moderni sono di tipo articolato.

TRAM

Sistema a guida vincolata su ferro (binario), a trazione elettrica (rete aerea), con marcia a vista su sede promiscua o a tratti riservata o esclusiva. Originariamente a trazione animale, il tram elettrico con linea aerea (streetcar in USA), si introduce a Berlino nel 1881 soppiantando rapidamente i servizi a cavalli in quasi tutte le città del mondo. I vantaggi del tram derivano dall’ economicità di esercizio e manutenzione, dal risparmio energetico, dall’assenza di inquinamento atmosferico, dal comfort, dalla possibilità di disporre di una sede esclusiva di ridotta larghezza, dalla elevata capacità di trasporto (potendosi utilizzare veicoli articolati di notevole lunghezza, o in convoglio). Gli svantaggi sono la rigidità del tracciato e i costi elevati d’impianto e delle vetture. I modelli più nuovi sono a pianale ribassato, per un più rapido incarrozzamento e l’utilizzo da parte di persone a mobilità ridotta. I veicoli possono essere del tipo a cassa semplice o del tipo articolato, con dimensioni tipiche : veicolo a cassa unica con 4 assi, 13-14 metri; veicolo articolato con 6 assi, 18-22 metri; veicolo a 3 casse doppiamente articolato con 8 assi, 23-29 metri. I tipi più diffusi sono quelli a 4 o a 6 assi, con una capacità di 100-180 passeggeri di cui un 20-40% a sedere. I veicoli più diffusi sono unidirezionali, ma in varie città sono in esercizio anche veicoli bidirezionali con doppia cabina di guida e porte su entrambi i lati. La potenzialità massima di una linea con veicoli da 200 posti ed intertempi di 3 minuti è di 4000 pass/h .

METROPOLITANA

Sistema di trasporto rapido di massa ad alta capacità e frequenza, a guida vincolata e trazione elettrica (linea aerea o terza rotaia), con marcia strumentale e in sede completamente esclusiva. La metropolitana è il sistema di trasporto collettivo urbano a più alta capacità e velocità commerciale (vedi 2.3), per la possibilità di utilizzare convogli di numerose vetture e con frequenze elevate (fino all’ordine dei 90 secondi). La sede è completamente esclusiva, e può essere a raso, su viadotto o in galleria, che è poi lo sviluppo prevalente. Proprio per sottolineare il prevalente sviluppo sotto il livello stradale la metropolitana viene definita “subway” negli USA e “underground” in Inghilterra. Generalmente i veicoli sono condotti da un operatore, ma esistono anche treni automatizzati ad esempio a Londra (Victoria lane), Singapore e Parigi. Le prime metropolitane erano a vapore, in galleria (Londra 1863) o in viadotto per ovviare ai problemi di ventilazione (New York 1890). Questi problemi sono risolti con la trazione elettrica, introdotta verso la fine del secolo (Londra

1890) che ne determina una rapida diffusione. In pochi anni sono realizzate le grandi reti delle metropoli americane ed europee. Dopo il 1930 vi è un rallentamento nella costruzione delle metropolitane anche per via degli altissimi costi delle infrastrutture. Il ricorso a tracciati in sopraelevata, come quelli di New York, Chicago e Berlino, è sempre meno accettato sia per l’ ingombro che per la rumorosità. Quasi solo le città con più di un milione di abitanti si sono dotate di metropolitana, e attualmente se ne contano circa ottanta. Dagli anni sessanta, in alcuni Paesi si è seguita le tecnica della metropolitana leggera in integrazione con soluzioni tranviarie.

LIGHT RAIL

Sistema di trasporto a guida vincolata e trazione elettrica (linea aerea), con marcia a vista o strumentale, in sede esclusiva e con regime di traffico regolato da segnali. La capacità e la frequenza risultano inferiori rispetto ad un sistema con metropolitana classica. In pratica si tratta di una forma di trasporto di origine ferroviaria che può essere sviluppata per stadi successivi a partire da una tramvia moderna fino a una forma di trasporto funzionante in sotterraneo o su viadotti. Ciascuno stadio di sviluppo può essere lo stadio finale, ma dovrebbe comunque permettere ulteriori sviluppi verso il successivo stadio superiore. Non è possibile quindi dare una definizione rigida, i sistemi light rail sono oggetto del capitolo 3.

FUNICOLARI

Sistema a guida vincolata su ferro (binario) condotto da fune di trazione mossa da motore elettrico, con marcia a vista e in sede completamente esclusiva, capace di adattarsi a percorsi anche fortemente inclinati. La soluzione più diffusa è quella a “ va e vieni ”, con via di corsa singola dotata di raddoppio in posizione centrale ed eventuali fermate intermedie ubicate in posizione simmetrica, ma non mancano realizzazioni con due funicolari monovettura gemelle. I primi impianti sorsero alla fine del 1800, con interessanti soluzioni come quella con trazione " ad acqua " che veniva realizzata semplicemente riempiendo di acqua, presso la stazione a monte, appositi cassoni di cui le vetture erano dotate e svuotando gli stessi una volta giunte a valle. Per quanto attiene il ruolo che le funicolari rivestono oggi fra i sistemi di trasporto, va detto come la diffusione di questi impianti, avvenuta alla fine dell'Ottocento e nella prima metà del Novecento, sia stata in seguito frenata dall'avvento degli impianti a fune sospesi (funivie ed affini), in grado di raggiungere

distanze significativamente maggiori e maggiormente adatti soprattutto allo sviluppo di sistemi di trasporto dedicati agli sport invernali, che costituiscono oggi il segmento di mercato di maggiore interesse. Tuttavia una marcata crescita delle funicolari si è registrata negli ultimi due decenni, grazie anche ai progressi compiuti nella tecnologia, soprattutto nel settore dei sistemi di sicurezza e telesorveglianza e nell'impiego di nuovi materiali, di maggiore durata e dunque minor onere manutentivo. In conseguenza di ciò diversi sono gli esempi di funicolari " moderne " quali quelle di Salisburgo (1535 m di dislivello), Innsbruck (quasi interamente in viadotto) o, per venire a casi più recenti, quella di Certaldo (Siena) inaugurata nel 1999, e quella di Varese, riaperta nel 2000 dopo decenni di abbandono. Per quanto riguarda i dati di esercizio, le funicolari, per le caratteristiche tecniche che le contraddistinguono, sono particolarmente adatte a servizi urbani ad intenso traffico e con orari di servizio prolungati (eventualmente anche di 24h). Esse infatti non solo offrono capacità di trasporto e velocità comparativamente elevate, ma presentano elevati gradi di affidabilità anche grazie alla generale presenza di 3 motori (principale, secondario e di riserva), che consentono di contenere i fermi macchina per manutenzione rispetto ad altri impianti ettometrici, quali ascensori e scale mobili.

MONORAIL

Sistema di trasporto a guida vincolata su unica rotaia, a trazione elettrica e marcia strumentale in sede completamente esclusiva. Esistono due tipi di sistemi monorotaia : “ suspendend monorail ” in cui il mezzo è sospeso sotto la rotaia e “ straddle-beam monorail” che letteralmente vuol dire “ a cavalcioni sulla trave ”, quindi con il mezzo che poggia sulla rotaia, che risulta di larghezza inferiore a quella del mezzo stesso. I sistemi più moderni presentano ruote in gomma, risultando molto meno rumorosi di metropolitane convenzionali e leggere. Sono molti, ad oggi, i sistemi costruiti a partire già dai primi del Novecento (Wuppertal 1901), il più conosciuto dei quali è certamente quello di Walt Disney World che trasporta oltre cinque milioni di passeggeri l’anno; molti sono in fase di costruzione in tutto il mondo. I sistemi monorail sono oggetto del capitolo 4 .

2.2 Caratteristica meccanica e diagramma di trazione

Per presentare le prestazioni di un sistema di trasporto collettivo urbano è utile introdurre la curva di caratteristica meccanica e il diagramma di trazione.

La caratteristica meccanica è la rappresentazione della coppia o della forza ai cerchioni in funzione della velocità. Una tipica caratteristica meccanica ideale, per un mezzo di trazione, è riportata in figura 2.1. In essa sono riportate anche l’andamento della potenza (rosso) e un andamento tipico della forza resistente (blu).

Q v F ,P , P R F R

Figura 2.1 – Caratteristica meccanica ideale

Si ha un primo tratto a forza costante (o leggermente decrescente per evitare slittamenti) in cui la potenza sale fino ad arrivare al valore nominale, successivamente la forza deve necessariamente scendere. La potenza deve essere costante nel più ampio campo di velocità in modo da sfruttare al meglio le potenzialità del macchinario. L’intersezione tra forza motrice e resistente è il punto d’equilibrio. Naturalmente la curva riportata non è sufficiente alle esigenze di un mezzo di trazione, che deve poter funzionare a velocità diverse per diversi andamenti della forza resistente e quindi deve essere intesa come curva di funzionamento alle massime prestazioni.

Nota la F(v) e la forza resistente R(v) si può determinare l’accelerazione ; e m v R v F v

a( )= ( )− ( ) dove me è la massa equivalente. (2.1)

Nota quindi la a(v) , integrando si ha :

∫

t + cost e si può avere la curva della velocità in funzione del tempo.

Poiché inoltre

dt ds t

v( )= , integrando nuovamente si ottiene lo spazio percorso :

+ cost .

∫

= v t dt t

s( ) ( )

Il diagramma di trazione comprende le curve v(t) e s(t) , un andamento tipico è riportato in figura 2:

t v , s

v(t)

s(t)

1 2 3 4

Figura 2.2 - Diagramma di trazione

Si ha un primo tratto in cui l’accelerazione è sostanzialmente costante e la velocità cresce linearmente; nel tratto 2 l’accelerazione è progressivamente decrescente fino a raggiungere una velocità costante corrispondente al raggiungimento dell’equilibrio tra forza motrice e resistente.

Quindi prima della fase di frenatura vera e propria si ha il tratto 3 in cui il mezzo viene fatto rallentare per effetto della sola forza resistente (fase di “coasting”) e infine vengono attivati i meccanismi di frenatura (fase 4) .

2.3 Prestazioni dei sistemi di trasporto collettivo , velocità commerciale

Le prestazioni principali di un sistema di trasporto collettivo che in generale vengono prese in considerazione sono [2] :

- capacità di trasporto (numero massimo di passeggeri/ora trasportabili per verso di marcia) ; - velocità commerciale ;

- regolarità, sicurezza ;

- impatto ambientale (intrusione fisica e visiva, inquinamento acustico ed atmosferico, ecc.) ; - costi di investimento e di esercizio.

Nel parlare di prestazioni occorre considerare che queste possono essere diversamente valutate da operatori , utenti e non-utenti. L’ottica dell’utente sarà indirizzata soprattutto sui tempi di viaggio, sulla regolarità del servizio, sulla qualità e sicurezza del trasporto; quella dell’operatore anche sui costi e sulla capacità; quella della collettività sull’impatto ambientale; quella dei pianificatori sull’interazione tra sistema di trasporto e sistema territoriale.

Diverse analisi tecnico-scientifiche hanno messo in evidenza l’inesistenza di un solo ottimo modo di trasporto collettivo urbano. Le condizioni e le esigenze per il trasporto urbano variano da città a città e il sistema ottimale dovrebbe essere un sistema bilanciato, ossia un sistema composto da più sottosistemi complementari coordinati in un singolo sistema multimodale, di cui un ottimo esempio è la città di Singapore.

Un parametro significativo, nel parlare di prestazioni di un sistema di trasporto collettivo, è la velocità commerciale, definito come rapporto tra la lunghezza totale della linea e la somma dei tempi di percorrenza delle tratte e dei tempi di sosta alle fermate :

∑ ∑

∑

In ambito urbano la distanza fra le fermate (o stazioni per la metropolitana) è contenuta tra :

- tram : 200 - 500 m ; - light rail : 350 - 500 m ; - metropolitana : 500 - 2000 m ;

Alla distanza tra le stazioni, nonché alla lunghezza ed al tipo di convoglio, è legata la lunghezza delle banchine di accesso al mezzo pubblico. Sono sufficienti 20 - 70 m per servizi tranviari, 45 - 100 m per light rail e si arriva a 110 - 210 m per le metropolitane.

Per una data distanza tra le fermate, per ottenere una buona velocità commerciale assumono notevole importanza :

- il raggiungimento di elevati valori di accelerazioni e decelerazioni in modo da diminuire i tempi di percorrenza. Occorre quindi utilizzare dei rapporti di aderenza elevati, compatibilmente con l’economia di costruzione e d’esercizio del materiale rotabile e il comfort dei passeggeri. Risultano in pratica convenienti accelerazioni di 1.2 – 1.3 m/s2 nei trasporti urbani e di 0.8 – 1.0 m/s2 in quelli suburbani ;

- la riduzione dei tempi di sosta, ottenibile facilitando l’accesso alle vetture (numero e ampiezza delle porte; riduzione del dislivello da superare fra banchine delle stazioni e piano di calpestio delle vetture; accurato studio della geometria dei gradini e al limite, come nelle metropolitane, banchine delle stazioni al medesimo livello del pavimento delle vetture), e rendendo più rapide e sicure le operazioni di apertura e chiusura delle porte, con il telecomando e telecontrollo delle medesime. Il sistema prevede sempre dispositivi che controllano singolarmente la posizione di chiusura delle porte e danno il consenso alla partenza solo a porte chiuse.