La percorribilità ferroviaria sul Ponte sullo Stretto di Messina

Il progetto del ponte sullo Stretto di Messina fa parte del corridoio multimodale Scandinavo-Mediterraneo, una rotta commerciale che attraverserà l’Europa da Helsinki e Stoccolma fino a Catania e Palermo, raggiungendo infine Malta. Questo progetto ha l’obiettivo di trasportare merci e passeggeri in treno attraverso l’Europa da nord a sud, fino al cuore del Mar Mediterraneo. Sarà una componente chiave di un sistema infrastrutturale integrato, al servizio del territorio e dei suoi abitanti.
Il ponte sullo Stretto di Messina collegherà la Calabria, sulla terraferma italiana, con l’isola di Sicilia.
Il ponte sospeso avrà una campata principale di 3.300 m, che sarà la più lunga al mondo una volta completato. [1]
Il ponte ospiterà quattro corsie stradali, due corsie di emergenza e una linea ferroviaria a doppio binario. L’impalcato del ponte sullo Stretto di Messina è multicassone (figura 1) con profilo alare formato da 3 cassoni longitudinali, 2 per il traffico stradale e 1 per il traffico ferroviario (figura 2).

La linea ferroviaria sarà conforme ai requisiti delle Specifiche Tecniche di Interoperabilità (STI) con un carico massimo per asse di 250 kN, una velocità di esercizio di 120 km/h, lunghezza massima dei treni pari a 750 m e sagoma cinematica UIC G1. Il ponte rappresenta un’opera ingegneristica non convenzionale, unica nel suo genere per complessità strutturale e funzionalità multimodale [2].
La complessità dell’interazione tra il ponte ed il treno impone uno studio approfondito del comportamento dinamico del sistema, al fine di garantire sicurezza, comfort e prestazioni adeguate nel lungo periodo.
Lo studio approfondito comporta analisi dinamiche esplicite che devono considerare la struttura, i carichi di progetto ed il particolare tipo di armamento ferroviario adottato. [3]

L’armamento utilizzato sul ponte sarà di tipo non convenzionale. I binari, infatti, saranno integrati direttamente nella struttura del ponte tramite l’Embedded Rail System (ERS) figura 3.
L’ERS è un sistema di costruzione del binario che fornisce alla rotaia un supporto continuo. Le rotaie vengono alloggiate in due canalette e inglobate in un elastomero. Sotto la suola della rotaia viene incollata una striscia di posizionamento continua sempre in elastomero. La massa dell’elastomero supporta i carichi trasversali, verticali e longitudinali trasmessi alla rotaia dal transito dei convogli e dalla termica e li trasferisce, per il tramite del canale, alla struttura portante. L’elastomero ha la funzione normalmente svolta dal sistema d’attacco della rotaia. Nell’ERS la funzione di portanza del carico è svolta dal complesso canale-struttura. Le canalette sono realizzate con lamiera di acciaio laminata (S460), saldata all’impalcato mediante saldature a cordone d’angolo continue su entrambi i lati.
La scelta della tipologia di armamento è stata fatta tenendo conto delle rigide limitazioni sul peso e della necessità di minimizzare le vibrazioni ed il rumore causati dal passaggio dei treni, nonché le altezze di costruzione del binario.
Al fine di valutare l’idoneità del sistema Embedded Rail System per l’applicazione all’Opera di Attraversamento, è stato progettato e attuato un articolato programma di prove. Tale programma ha previsto, in una fase iniziale, l’esecuzione di test in ambiente di laboratorio su una parte del cassone ferroviario appositamente realizzato a grandezza naturale, seguiti da una sperimentazione prolungata sul campo, condotta in condizioni operative reali.
Nel 2004, RFI ha installato, infatti, il sistema ERS sul ponte metallico ferroviario che attraversa il fiume Arno, nei pressi della stazione di Pisa. Questa infrastruttura è stata utilizzata come banco di prova per monitorare il comportamento del sistema nel tempo. A circa vent’anni dall’installazione è stata poi condotta una campagna di misura finalizzata a valutare sia le prestazioni meccaniche del sistema sia lo stato del materiale elastomerico invecchiato, elemento chiave per l’efficacia dell’ERS.
La campagna di misure ha dimostrato che il sistema ERS ha mantenuto prestazioni costanti anche a vent’anni dalla sua installazione. Nel dettaglio le prestazioni consistono nella migliore geometria del binario rispetto a quella del binario con attacchi tradizionali e, quindi, assenza di interventi di ripristino. Questo risultato conferma l’affidabilità e la durabilità del sistema nel tempo, rafforzando la sua idoneità per l’impiego nell’ambito del progetto del Ponte sullo Stretto di Messina.

LA PERCORRIBILITÀ

RFI indica chiaramente che, per le opere non convenzionali è necessario adottare analisi dinamiche esplicite, utilizzando modelli di carico che simulano treni reali [4].
Tali analisi dinamiche vengono eseguite mediante una modellizzazione matematica dell’interazione treno-binario-ponte finalizzate a verificare il rispetto dei requisiti in termini di prestazioni attese sia dei veicoli che dell’infrastruttura. I parametri che definiscono le prestazioni attese sono riportati in tabella 1 i cui valori sono riportati nel “Manuale applicativo riferito ai fondamenti progettuali” [1].

I valori limite dei parametri sono stabiliti nel rispetto delle normative ferroviarie europee di riferimento.
La modellazione ha riguardato l’interazione tra il ponte e 6 treni reali circolanti sulla rete ferroviaria di RFI (AV, intercity, regionale, merci) oltre che i carichi di temperatura vento e sisma, di cui alle regole progettuali specifiche (tabella 2 ).
I treni reali sono stati modellizzati come sistemi a più gradi di libertà rappresentati dagli spostamenti e dalle rotazioni spaziali dei singoli componenti (figura 4).
I treni sono stati fatti circolare sia singolarmente che a coppie su ciascuno dei due binari. Ciascuna circolazione è stata definita mediante la storia temporale dei parametri del treno circolante e dell’infrastruttura. (figura 5).

Al fine di determinare le posizioni più sfavorevoli per l’interazione tra due treni sul ponte, sono state simulate diverse configurazioni di incrocio. In particolare, sono stati considerati i casi in cui i treni si incontrano nel mezzo della campata centrale, in corrispondenza della torre e dei giunti di dilatazione.
Le analisi svolte comprendono combinazioni di più carichi agenti sul ponte quali quelli ambientali e quelli antropici (tabella 3).
Per valutare il comportamento dell’insieme treno-ponte, in tutte le condizioni operative, sono state considerate tutte le possibili combinazioni di fattori: 6 diverse tipologie di treni, 3 posizioni di incrocio sul ponte, 2 binari e 6 combinazioni di carichi ambientali. Il numero totale delle combinazioni analitiche esaminate è stato pari a 600.
Le analisi di percorribilità sono state condotte a due livelli: globale e locale. Nell’analisi di percorribilità globale è stato modellato l’intero ponte nonché i treni circolanti e studiato come i treni reali interagiscono con il ponte durante il loro passaggio.

Quest’analisi restituisce un’immagine ampia del comportamento di treno, ponte e dei parametri di risposta in funzione delle diverse combinazioni di carico, consentendo di valutare la sicurezza e il comfort di marcia.

L’analisi di percorribilità locale ha, invece, coinvolto la modellazione dettagliata di una sezione del cassone ferroviario e dell’armamento (figura 6). Questo tipo di analisi ha permesso di calcolare le forze trasmesse dai treni alla rotaia e dalla rotaia al cassone ferroviario durante il passaggio dei convogli. Quest’analisi consente di valutare la resistenza dei componenti strutturali (sistema di attacco della rotaia, canaletta di contenimento della rotaia, estradosso del cassone, etc.) e la loro durabilità nel tempo.
I carichi ambientali di vento, temperatura e sisma e le loro combinazioni sono stati definiti in funzione dei valori individuati dagli stati limite di servizio (SLS). Tali valori corrispondono a condizioni di carico ben superiori a quelle previste per le opere ordinarie, con periodi di ritorno da 50 fino a 200 anni e che sono state previste cautelativamente dalle specifiche per la valutazione della percorribilità ferroviaria dell’opera.

Le simulazioni numeriche hanno permesso, per ogni circolazione, di avere le storie temporali di tutti i parametri caratterizzanti il comportamento dei rotabili e dell’infrastruttura:
• sicurezza di marcia dei veicoli: coefficiente di ribaltamento e di svio, forze di contatto tra ruota e rotaia, carico verticale gravante su ciascuna ruota del treno, etc.;
• comfort di marcia dei passeggeri a bordo dei veicoli: indice di comfort di marcia, valori efficaci delle accelerazioni trasversali e verticali a bordo dei treni, etc.;
• parametri dell’infrastruttura: pendenze e sghembi del binario, accelerazione laterale e velocità di rollio della cassa dei rotabili, etc;
Le simulazioni tengono ovviamente conto delle inclinazioni trasversali dovute al comportamento statico e dinamico dell’opera e alla sua interazione con i treni che definiscono il quadro di limitazioni della velocità massima di esercizio della linea ferroviaria in relazione agli effetti diretti del vento sui convogli ferroviari. Tali analisi sono state svolte seguendo l’approccio CWC (Characteristic Wind Curve) in analogia con quanto previsto dalla normativa europea e dalle Specifiche Tecniche Europee per l’Interoperabilità e considerando le condizioni favorevoli sul ponte consentite dalle barriere frangivento.

I coefficienti di ribaltamento e di svio sono stati inoltre verificati considerando l’effetto delle azioni dinamiche, quali irregolarità del binario, forze del vento incidenti direttamente sui veicoli, comportamento della struttura per le azioni dovute al vento e al passaggio del treno, con la velocità di percorrenza effettiva in condizioni di vento significativo.
Le analisi di percorribilità sono state condotte sia dai progettisti del Contraente Generale sia dal Project Management Consultant e Indipendent design check, Parsons Transportation Group [5], in qualità di soggetto incaricato dalla società SdM della verifica della progettazione dell’opera.
I risultati delle due analisi sono sostanzialmente coincidenti.

CONCLUSIONI

Le analisi nell’ambito della percorribilità ferroviaria sono state eseguite in conformità con le regole di progettazione nazionali e internazionali tenendo in considerazione tutte le condizioni di carico sia stradale sia ferroviario e le condizioni ambientali relative a temperatura, sisma e vento ed hanno permesso di verificare il rispetto dei requisiti di sicurezza, funzionalità e comfort per tutte le tipologie di treni (AV, intercity, regionale, merci) che circoleranno sul ponte. Da queste analisi, condotte sia dal progettista che da Parsons, mediante sofisticati modelli matematici, è risultato che la marcia dei treni avviene nel pieno rispetto dei requisiti stabiliti dalle specifiche di progetto e dalle normative europee di riferimento, anche nelle condizioni di carico più gravose.

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