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Eco-compatibilità e prestazioni delle rotatorie stradali

L'approccio simulativo-sperimentale adeguato ad uno dei problemi che affliggono le aree urbane e metropolitane moderne, cioè l'inquinamento atmosferico: la definizione dei parametri progettuali delle infrastrutture viarie e di moderazione/gestione del traffico

Una delle principali caratteristiche delle rotatorie è il loro funzionamento “in continuo”, con i veicoli in ingresso che devono dare precedenza a quelli in circolo senza doversi necessariamente fermare come accade, invece, nel caso degli incroci regolati da stop o da lanterne semaforiche.

Immagini

  • L’ubicazione delle rotatorie oggetto di indagine (comune di Catania)
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    L’ubicazione delle rotatorie oggetto di indagine (comune di Catania)
  • I principali parametri geometrici relativi alle rotatorie oggetto di studio
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    I principali parametri geometrici relativi alle rotatorie oggetto di studio
  • La schermata d’esempio del software Sidra Intersection
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    La schermata d’esempio del software Sidra Intersection
  • Le schermate d’esempio del software GreenMeter
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    Le schermate d’esempio del software GreenMeter
  • Le emissioni di inquinanti in funzione del grado si saturazione (rotatoria n° 1)
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    Le emissioni di inquinanti in funzione del grado si saturazione (rotatoria n° 1)
  • Le emissioni di inquinanti in funzione del ritardo medio (rotatoria n° 1)
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    Le emissioni di inquinanti in funzione del ritardo medio (rotatoria n° 1)
  • Le emissioni di inquinanti in funzione del grado di saturazione (rotatoria n° 4)
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    Le emissioni di inquinanti in funzione del grado di saturazione (rotatoria n° 4)
  • Le emissioni di inquinanti in funzione del ritardo medio (rotatoria n° 4)
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    Le emissioni di inquinanti in funzione del ritardo medio (rotatoria n° 4)
  • Le emissioni di inquinanti in funzione dei ritardi
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    Le emissioni di inquinanti in funzione dei ritardi
  • Le emissioni di inquinanti in funzione del grado di saturazione
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    Le emissioni di inquinanti in funzione del grado di saturazione
  • Le emissioni di CO2 nella rotatoria 1 - manovra 1
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    Le emissioni di CO2 nella rotatoria 1 - manovra 1
  • Le emissioni di CO2 nella rotatoria 4 - manovra 1
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    Le emissioni di CO2 nella rotatoria 4 - manovra 1
  • Il consumo di carburante nella rotatoria 1 - manovra 11
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    Il consumo di carburante nella rotatoria 1 - manovra 11
  • Il consumo di carburante nella rotatoria 3 - manovra 6
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    Il consumo di carburante nella rotatoria 3 - manovra 6

È facile comprendere come in condizioni standard di funzionamento, la fruizione “in continuo” delle rotatorie possa tradursi in una riduzione delle emissioni di inquinanti rispetto ad altre tipologie di intersezione. In caso di incrocio regolato da lanterne semaforiche, ad esempio, la produzione di inquinanti atmosferici viene incrementata per effetto del numero di automobili presenti in coda e dei fenomeni di stop and go che inducono un regime di sollecitazione del motore più spinto rispetto a quello associato al semplice rallentamento dei veicoli.

L’obiettivo che si intende perseguire è quello di analizzare il livello di eco-compatibilità delle rotatorie al variare delle prestazioni operative (capacità e livello di servizio), mettendo in conto anche condizioni di fruizione al limite ed oltre la congestione.

L’approccio metodologico e la scelta del campione d’indagine

Per la stima dei requisiti di eco-compatibilità di una qualsiasi infrastruttura stradale è possibile agire seguendo due approcci differenti:

  • misurazioni dirette;
  • indagini indirette.

Le misurazioni dirette consentono il rilievo delle sostanze inquinanti attraverso strumenti fissi (centraline) oppure mobili. Le indagini indirette, invece, si basano sulla misurazione di parametri che influiscono sulla produzione di emissioni inquinanti come la velocità, il flusso di traffico, la percentuale dei mezzi pesanti e la geometria dell’infrastruttura stradale. I suddetti parametri costituiscono i dati di input per modelli previsionali delle emissioni e dei consumi di carburante presenti sotto forma di formule di regressione o di software. Nella presente memoria, si esporranno i risultati di una campagna d’indagine svolta mediante analisi di tipo indiretto.

Il campione di rotatorie preso in esame è rappresentato da quattro intersezioni differenti per caratteristiche geometriche e flussi di traffico, situate nel tessuto urbano del comune di Catania. Due di queste (n° 1 e n° 2) sono generalmente assoggettate a flussi di traffico cospicui in quanto ubicate lungo la Circonvallazione che è una delle arterie principali della città. Le altre due (n° 3 e n° 4), invece, sono interessate da flussi di traffico più moderati, essendo situate in zone residenziali.

I risultati dell’indagine sperimentale

Nell’ambito del presente studio si è organizzato un flusso di lavoro mirato all’ottenimento dei due seguenti obiettivi:

  • caratterizzazione macroscopica del livello di eco-compatibilità (condizioni operative medie in un’ora);
  • caratterizzazione microscopica del livello di eco-compatibilità (condizioni operative valutate istante per istante).

Per la valutazione macroscopica si è fatto riferimento ad un processo simulativo attraverso l’utilizzo del software Sidra Intersection. Si tratta di un software, sviluppato presso l’Australian Road Research, utilizzato per la verifica, il confronto e l’ottimizzazione del funzionamento delle intersezioni stradali. La valutazione microscopica è stata invece svolta equipaggiando un autoveicolo con un tablet sul quale era installato il software Green Meter che permette, attraverso la correlazione tra il regime di accelerazioni istantaneamente rilevato dall’accelerometro presente nel tablet ed una serie di parametri di riferimento, di ricavare informazioni sull’entità di CO2 emessa, nonché sui consumi e sui costi energetici.

Le prime valutazioni, attraverso il software SIDRA, hanno permesso di evidenziare come per le prime due rotatorie (n° 1 e n° 2) i livelli di servizio siano sempre F in tutte le ore di punta analizzate e, inoltre, il rapporto Q/C (flusso orario/capacità oraria) sia sempre maggiore del valore unitario e dunque rappresentativo di condizioni di congestione fortemente condizionanti. Le prestazioni operative delle rotatorie n° 3 e n° 4, testimoniano invece, livelli di servizio pari ad A e rapporti Q/C sempre abbondantemente inferiori all’unità.

Dall’analisi di tali diagrammi si evincono i seguenti risultati:

  • i parametri trasportistici (ritardo e grado di saturazione) condizionano significativamente i valori delle emissioni di inquinanti (oltre che quelli dei costi e dei consumi);
  • le curve rappresentative delle emissioni di inquinanti hanno un andamento pressoché parallelo in tutte le fasce orarie analizzate, ma presentano valori differenti in relazione ai valori corrispondentemente assunti dai parametri trasportistici.

In particolare, laddove (rotatorie n° 3 e n° 4) tali parametri non presentano difformità significative tra una fascia oraria e l’altra, le curve si presentano “schiacciate”; laddove (rotatorie n° 1 e n° 2) si manifestino ritardi e gradi di saturazione fortemente variabili, le curve manifestano picchi generalmente in corrispondenza dei punti di massimo associati ai parametri trasportistici.

Per la caratterizzazione microscopica del livello di eco-compatibilità delle quattro rotatorie, si è proceduto con una serie di rilievi sul campo condotti in diverse fasce orarie rappresentative sia di condizioni “di punta” che “di morbida”.

Il veicolo Ford Fusion, equipaggiato di tablet dotato del software Green Meter ha percorso tutti i rami di ciascuna rotatoria compiendo un percorso che aveva origine a partire da una distanza dalla corona giratoria rappresentativa dell’area di influenza della rotatoria sulla viabilità e, analogamente, si concludeva ad una distanza dal centro dell’anello in cui i condizionamenti della circolazione rotatoria sul comportamento degli utenti potevano ritenersi ormai scemati.

I dati acquisiti e registrati sul tablet sono stati successivamente scaricati ed elaborati. Dall’osservazione di tutti i grafici e dal confronto con i risultati dell’analisi macroscopica è possibile trarre le seguenti considerazioni:

  • il regime delle accelerazioni è fortemente condizionato dalle prestazioni operative offerte dalle rotatorie;
  • nel caso di prestazioni operative ottimali, le rotatorie garantiscono un funzionamento in condizioni di fluidità e, conseguentemente, l’approccio verso tutte le possibili manovre avviene con produzione minima di inquinanti e senza eccesso di consumo di carburante;
  • man mano che le prestazioni operative si avvicinano a quelle di congestione, s’incrementa la frequenza dei fenomeni di stop-and-go, testimoniati dall’aumento del consumo di carburante e dalla notevole produzione di CO2.

È interessante infine notare che, nelle situazioni in cui le condizioni del moto sono scorrevoli, le rotatorie, fungendo da interventi di moderazione della velocità, garantiscono una uniformità del regime delle accelerazioni già nella fase di entrata oltreché nel prosieguo della manovra (di attraversamento o di svolta). In condizioni di congestione o prossime ad essa, invece, la rotatoria ha scarso effetto in termini di regolazione delle accelerazioni/decelerazioni comportando una produzione elevata di emissioni inquinanti ed un eccesso di consumo di combustibile.

Conclusioni

Con il presente contributo si è dimostrato come, in condizioni di traffico prossime o superiori alla soglia di congestione, le rotatorie non riescano a funzionare da intervento eco-compatibile, ed anzi, l’innescarsi dei fenomeni di stop and go provoca emissioni cospicue di gas nocivi e consumi di combustibile significativamente maggiori di quelli che si avrebbero in condizione di deflusso veicolare scorrevole.

Si può dunque affermare che le rotatorie sono intrinsecamente eco-compatibili solo quando i valori dei parametri trasportistici testimoniano quel funzionamento “in continuo” che sta alla base del concetto stesso di rotatoria; ciò corrisponde a valori del rapporto portata/capacità inferiore all’unità ed a ritardi medi di fermata nei rami riconducibili a livelli di servizio lontani dalla situazione limite. Si sottolinea infine come l’approccio metodologico adottato, cioè quello simulativo-sperimentale, si sia ben prestato per una caratterizzazione razionale di uno dei problemi che affliggono le aree urbane e metropolitane moderne, cioè l’inquinamento atmosferico.