UNIVERSIT DEGLI STUDI DI PALERMO FACOLT DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE

CORSO DI TECNICA DEI TRASPORTI (Prof. L. La Franca)

APPUNTI DI TRAZIONE ELETTRICA(a cura Ing. Pietro Zito)

A.A. 2006/2007

1. GENERALITLa trazione elettrica si riferisce per definizione ad ogni applicazione ed uso dellenergia elettrica nel campo dei trasporti. In particolare quel settore della tecnica dei trasporti interessato allo studio dei mezzi di trazione su strada o su rotaia, equipaggiati con motori elettrici, che si muovono su un determinato percorso, e degli impianti fissi destinati a provvedere alla loro alimentazione tramite una linea di contatto opportunamente disposta lungo il percorso stesso, che pu essere aerea o costituita da un profilato posto lateralmente od interiormente rispetto al rotabile (terza rotaia). Insieme ai veicoli elettrici alimentati dallesterno, possono essere considerati anche quelli provvisti di motori elettrici di trazione, ma non alimentati da una linea di contatto, ossia i veicoli diesel con trasmissione elettrica (trazione diesel-elettrica), in cui lenergia necessaria alla trazione viene generata a bordo del veicolo. La trazione elettrica presenta una serie di vantaggi tecnici ed economici: 1) favorevole rapporto peso/potenza, e quindi possibilit di avere disponibili elevate potenze installate a bordo; 2) elevate prestazioni, indicate soprattutto nei trasporti urbani e suburbani con frequenti fermate, in modo da aumentare la velocit commerciale realizzabile; 3) elevate prestazioni raggiungibili in ferrovia, in termini di massa trainata e velocit; 4) elevate potenzialit raggiungibili (traffico ferroviario ad alta velocit); 5) possibilit di utilizzare per la produzione, nelle centrali elettriche, diverse forme di energia (dalle fonti di energia rinnovabili idraulica o eolica, ai combustibili fossili fino allenergia nucleare); 6) grande capacit dei mezzi di trazione derivante dalla possibilit di sovraccarico dei motori elettrici; 7) economia di esercizio; 8) assenza di emissioni inquinanti e riduzione della rumorosit. I vantaggi nelluso della trazione elettrica sono, quindi, riconducibili in una maggiore efficienza energetica (se confrontata con i tradizionali motori endotermici), maggiore robustezza in termini di potenza specifica installata a bordo, e possibilit di realizzare facilmente una regolazione a coppia costante durante la fase di avviamento e una regolazione a potenza costante durante la fase a velocit di crociera (Figura 1). Questo aspetto fondamentale, in considerazione del fatto che alcuni motori elettrici hanno caratteristiche meccaniche simili a quelle di un motore ideale perfettamente elastico.

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N [kW] C [Nm]

Intervallo di regolazione a coppia costante

Intervallo di regolazione a potenza costante

N(n) C(n) R(n)

neq.

n [giri/min]

Figura 1 - Regolazione della coppia e della potenza

Nelle applicazioni dellenergia elettrica alla trazione si usa distinguere la trazione urbana (di tipo filoviario, tramviario e metropolitano) dalla trazione ferroviaria o grande trazione. Un impianto delettrificazione per sistemi di trasporto terrestri comprende le seguenti fasi: 1) la produzione, cio il complesso delle centrali generatrici di energia elettrica (centrali termiche, idroelettriche, nucleari, ecc.); 2) il trasporto, in altre parole il complesso delle linee principale di trasporto ad alta tensione; 3) la trasformazione, comprendente le sottostazioni dove lenergia elettrica portata a valori di tensione pi ridotti ed trasformata per adattarla al sistema di trazione elettrica impiegato; 4) la distribuzione, in pratica il complesso delle linee secondarie o linee di contatto; 5) lutilizzazione dellenergia elettrica per lottenimento del moto, ossia il complesso dei mezzi di trazione sui quali sono installati i motori elettrici che trasformano lenergia elettrica in energia meccanica. In un impianto di elettrificazione per la trazione (circuito generale di trazione) si pu definire un circuito dalimentazione (centrali e linee di trasporto primarie) ed un circuito di trazione (sottostazioni, linee di contatto, mezzi di trazione e binario). Normalmente, si utilizzano le centrali e le linee primarie delle reti industriali trifase dellente fornitore di energia elettrica, per la fase di produzione e trasporto ad alta tensione fino alle sotto stazioni di trasformazione, dove inizia il cosiddetto circuito di trazione.

Figura 2 - Schema di alimentazione di una linea ferroviaria in c.c. 3

La scelta di diversi sistemi di trazione elettrica (ad esempio, 3kV in corrente continua o 15kV in corrente alternata) deriva dallesigenza di risolvere due problemi tecnici, che richiedono soluzioni differenti e spesso contrastanti: il trasporto dellenergia elettrica dalle sottostazioni, lungo linee di contatto fino al veicolo; tale problema comporta lelevazione della tensione per quanto possibile, al fine di ridurre la corrente (in tal modo possibile utilizzare sezioni pi piccole, cio linee pi leggere e sostegni meno caricati) e, di conseguenza, le perdite per effetto joule e le cadute di tensione in linea a parit di potenza trasmessa. Ovvero, a parit di perdite per effetto joule e di cadute di tensione in linea, laumento di tensione pu comportare lincremento della distanza fra le sottostazioni che alimentano una linea 1; la trasformazione dellenergia elettrica pervenuta a bordo in energia meccanica per lottenimento del moto attraverso i motori elettrici; questi ultimi lavorano con valori bassi di tensione in quanto i motori elettrici sono, in genere, macchine a bassa tensione per motivazioni di carattere elettrico.

1

Ricordiamo che dalla legge fondamentale V = I R (V = Tensione o differenza di potenziale [Volt]; I = corrente circolante [Ampere]; R = resistenza del conduttore [Ohm]) si ha come, a parit di resistenza (carico), allaumentare della tensione aumenta la corrente circolante. Ricordiamo pure, che la potenza P = V I, quindi, si pu avere la stessa potenza sia con tensione alta e bassa corrente o viceversa. Consideriamo pure che allaumentare della tensione aumenta la necessit di un maggiore distanziamento tra i conduttori o linterposizione di un isolamento pi efficace e di maggiore spessore; invece allaumentare della corrente occorre avere condutttori di maggiore spessore, perch il limite pratico di transito della corrente dellordine di 5 A/mm2 per non disperdere potenza nel riscaldamento per effetto Joule dei conduttori stessi (P = I2 R ricordando P = V I ed essendo V = I R). 4

2. SISTEMI DI TRAZIONE ELETTRICAI settori di impiego della trazione elettrica sono i seguenti: trasporti pubblici urbani di tipo filoviario, tramviario, metropolitano; ferrovie di carattere locale o di grande comunicazione; veicoli elettrici stradali con produzione autonoma dellenergia elettrica (automobili elettriche, furgoni elettrici, carrelli per trasporti interni industriali, ecc.). Nel campo dei trasporti urbani si usa sempre il sistema di trazione a corrente continua a 600750V oppure a 1500V. In particolare: UL = 600-750V nel caso di filobus, tram e metropolitane con terza rotaia. UL = 1500V nelle metropolitane con linea aerea. dove UL la tensione di linea. Nel campo dei trasporti ferroviari i sistemi impiegati sono i seguenti: sistema a corrente continua con UL = 750V (3a rotaia), 1500V, 3000V; sistema a corrente alternata monofase con UL = 15kV con frequenza 16,7Hz; 25kV con frequenza 50Hz. I sistemi di trazione si definiscono diretti se la corrente di alimentazione dei motori dello stesso tipo di quella che circola nella linea di contatto; altrimenti i sistemi di trazione si definiscono indiretti. I sistemi su descritti sono diretti; i sistemi indiretti oggi impiegati sono i seguenti: sistema continuo-trifase con UL= 3000V; sistema mono-continuo con UL = 25kV- 50Hz; sistema mono-trifase con UL = 25kV- 50Hz. Esistono locomotori denominati policorrenti per consentire il transito dei treni attraverso i confini senza il cambio della locomotiva. Tali locomotori si adoperano allorquando in uno stesso paese si utilizzano sistemi di trazione elettrica differenti o quando un locomotore debba recarsi in un paese confinante che usa un sistema differente. Nella Tabella 1 sono evidenziati i sistemi di trazione elettrica in uso nei paesi europei.Tabella 1 - Sistemi di trazione elettrica in Europa Tipo di corrente e tensione Continua 750 V Continua 1500 V Continua 3000 V Alternata monofase 25 kV 50 Hz Alternata monofase 15 kV 16,7 Hz Paese Gran Bretagna (1960 km) Francia, Olanda Italia, Belgio, Lussemburgo, Polonia, Cecoslovacchia. Francia, Lussemburgo, Gran Bretagna, Ungheria, Italia (Sardegna). Germania, Austria, Svizzera, Svezia, Norvegia.

5

Nella Tabella 2 riportato lo sviluppo delle linee ferroviarie elettriche nel mondo agli inzi degli anni 90; lo sviluppo di 205.030Km, pari al 17,2% dellestensione globale delle linee ferroviarie pari a circa 1.200.000Km.Tabella 2 - Estensione delle linee ferroviarie a trazione elettrica nel mondo Reti a corrente continua Fino a 1kV 7.560km 1 2kV 20.440km 96.980km 47,3% Oltre 2kV 68.890km Reti a corrente alternata monofase 15kV 16,7Hz 32.940km 25kV 50Hz 72.110km Altri sistemi 3.000km 1,5%

105.050km 51,2%

Estensione totale delle linee elettrificate = 205.030km pari al 17,2% del totale delle linee ferroviarie (1.192.000km).

2.1 Motore a corrente continua con eccitazione in serieSi consideri dapprima il motore a corrente continua con eccitazione in serie la cui struttura mostrata in Figura 3. Questo tipo di motore si presta bene alla trazione, avendo la sua caratteristica meccanica coppia motrice-numero di giri C(n) un andamento molto simile a quello della caratteristica ideale (andamento iperbolico di Figura 1).

Figura 3 - Struttura di un motore in c.c.

La struttura del motore costituita da una parte fissa detta statore su cui sono avvolti gli avvolgimenti di eccitazione e una parte mobile detta rotore su cui avvolto il circuito di armatura. Lo schema elettrico mostrato in Figura 4 dove si vede il funzionamento da motore di trazione ed il funzionamento da freno, che si ottiene invertendo i collegamenti del circuito di eccitazione, determinando quindi un flusso di eccitazione di verso opposto.

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Figura 4 - Schema elettrico di un motore a corrente continua con eccitazione in serie (a: funzionamento da motore, b: funzionamento da freno)

La caratteristica meccanica C(n) di un motore a corrente continua eccitato in serie mostrata in Figura 5 (ove sono mostrate anche le curve di resistenza per varie livellette). Si nota come la caratteristica meccanica sia simile a quella di un motore ideale adattandosi alle resistenze al moto.C(n)

n1 n2 n 3

n [giri/min]

Figura 5 - Caratteristica meccanica di un motore in c.c.

La caratteristica meccanica C(n) rappresenta anche, a scala, la curva di trazione T(V), essendo lo sforzo di trazione T proporzionale alla coppia motrice C e la velocit V proporzionale al numero di giri n. Infatti in generale si ha:

T=

C i tr m D/2

V=

Dn60

3,6

1 m

con tr rendimento della trasmissione, m =

n nmotore = > l il rapporto di riduzione (assume nr nruote

un valore fisso nei veicoli a trazione elettrica), i numero dei motori, D il diametro delle ruote motrici. Se si indica con: ri la resistenza del circuito di indotto; re la resistenza dellavvolgimento di eccitazione; r = ri + re la resistenza interna della macchina; E la forza contro elettromotrice;7

U la tensione di alimentazione; I la corrente assorbita dal motore; il flusso principale; n il numero di giri del motore. Dalle relazioni E = U rI e E = K1n, dove K1 = costante di macchina (dipendente dalle caratteristiche costruttive del motore), si ricava il numero di giri: n=E U rI = K1 K1

Pertanto, per variare la velocit n, a pari I, si pu: a) variare la tensione di alimentazione del motore (regolazione di tensione); b) variare il flusso, (regolazione di campo); c) produrre una caduta di tensione aggiuntiva RI mediante un reostato in serie al circuito indotto (regolazione reostatica).

n=a) Regolazione di tensione

U (r + R) I K1

Nei veicoli a corrente continua con equipaggiamento di tipo tradizionale a pi motori la regolazione di tensione consiste nel collegare secondo schemi diversi i motori. Negli equipaggiamenti con sei motori da trazione, usati frequentemente nelle reti a 3000V, i collegamenti possibili sono i seguenti (adottando motori con tensione massima UMAX = 1500V):Conf. serieM1 M2 M3 M4 M5 M6

M1

M2

M3 M1

Conf. serie-parallelo2M2 M3 M4

M4

M5

M6

Conf. serie-parallelo1M5

M6

Figura 6 - Configurazioni serie e serie-parallelo di un motore in c.c.

Si pu passare dalla tensione U/6 alla tensione U/3 ed infine a quella U/2, per variare il numero di giri. Ad esempio per due tensioni U1 ed U2 si ha:U 1 rI = K1n1

U 2 rI = K1n2e quindi8

n1 U1 rI U1 = n2 U 2 rI U 2

se U2 > U1 n2 > n1

A parit di corrente la velocit varia, quindi, circa proporzionalmente alla tensione ai morsetti del motore. Lelettronica di potenza ha modificato le tecniche classiche di regolazione del motore a corrente continua, i convertitori a chopper permettono di regolare finemente la tensione e la corrente di alimentazione del motore. Considerando il dispositivo elettronico come un semplice interruttore che apre e chiude il circuito ed indicando con tc il tempo di conduzione e con tb il tempo di interdizione del chopper, il valore medio della tensione ai capi del motore risulta:Ut 1 1 c U = Udt = Udt = tc +ctb = U T 0 t c + tb 0T t

=

tc t c + tb

0 1

Figura 7 - Regolazione a Chopper

In questo modo possibile variare in modo continuo ed efficiente la tensione da zero fino alla tensione U del motore (come in Figura 7).b) Regolazione di campo

Infine agendo sul flusso magnetico (riducendolo) realizziamo la regolazione di campo. Il flusso magnetico legato alla forza magnetomotrice (NI) secondo la legge di Hopkinson: R = NI. Quindi variando NI possibile ridurre il flusso magnetico. I metodi per variare il flusso sono i seguenti: 1) Variare il numero di spire del circuito di eccitazione, cortocircuitandone alcune; 2) Variare la corrente di eccitazione mediante linserimento di una resistenza variabile in parallelo allavvolgimento di eccitazione;9

3) Variare NI collegando alcune sezioni del circuito di eccitazione in modo diverso passando da serie a serie-parallelo ed infine parallelo.

1)

2)

3)

Figura 8 - Metodi per variare il flusso magnetico

c) Regolazione reostatica

Si consideri ora lavviamento di un solo motore di trazione con eccitazione in serie, alimentato alla tensione U. Dalla: n = E U rI = K1 K1

Si nota che per n = 0 nulla anche la forza contro-elettromotrice E e la corrente assorbita dal motore assumerebbe un valore pari a I = U (molto elevata). r

Per limitare la corrente allavviamento si inserisce in serie al motore una resistenza R di valore R0 tale che risulti: I= U r + R0

con I ((1,3 1,5 )I0 essendo I0 la corrente oraria (corrente che il motore pu sopportare per un ora di funzionamento), tale che lo sforzo di trazione corrispondente a questa corrente verifichi la condizione di aderenza (T 1000 fadPa). Man mano che il motore si avvia cresce la forza controelettromotrice. Allora per non far decrescere la corrente e quindi la coppia si riduce progressivamente il reostato di avviamento e le caratteristiche si spostano come in Figura 9. U rI = K1n1 e U (r + R)I = K1n2

n1 U rI = n 2 U (r + R )I

Figura 9 - Regolazione reostatica 10

3. IMPIANTI FISSI3.1 Linee di contattoLa linea aerea di contatto costituita dal filo, con il quale viene a contatto la presa di corrente dei veicoli, e dagli elementi di sospensione. Il filo di rame ed sagomato, come rappresentato in Figura 10, per consentire lattacco dei morsetti di sospensione, mentre la parte inferiore libera per permettere lo strisciamento dellarchetto del pantografo. Il problema fondamentale ottenere una captazione regolare di corrente, attraverso un contatto che dal punto di vista elettrico, non certamente perfetto. Le locomotive assorbono correnti fino a 2000-3000A ed anche superiori ( si raggiungono i 4000A nelle linee a 1500V), a seconda della loro potenza e del valore della tensione di alimentazione; normalmente la linea di contatto costituita da due fili vicini in parallelo, ciascuno della sezione di 100-150mm2 (diametro 11,2813,82 mm). Il filo semplice, di sezione anche inferiore a 100mm2, impiegato nelle linee secondarie.

Figura 10 - Sezione trasversale della linea di contatto

Due sono i tipi di sospensione della line a di contatto: a) sospensione trasversale b) sospensione longitudinale Nel primo tipo di sospensione il filo di contatto semplicemente sorretto da mensole applicate, trasversalmente alla linea, su pali di sostegno. Il filo di contatto, disponendosi secondo una catenaria, raggiunge valori notevoli di freccia. In rettilineo si hanno campate di 18-25m. Il sistema molto semplice ed economico, ma il suo inconveniente fondamentale rappresentato dalla disuniforme flessibilit del filo, che elevata a met campata e molto piccola in corrispondenza degli appoggi. Nei punti di sospensione si possono avere distacchi della presa ed urti; le interruzioni di corrente provocano scintillio, perlinature del filo e sua usura anormale. Questo sistema pu essere adottato per le linee urbane di superficie, date le modeste velocit di marcia e la possibilit di avere campate abbastanza corte.11

Nel secondo tipo di sospensione, normalmente usato nelle ferrovie, il filo di contatto, semplice o doppio, sospeso ad una fune in treccia di rame, di bronzo o di acciaio zincato, la quale, a sua volta sostenuta dai pali. La campata, cio la distanza fra i pali, compresa tra 50m ed 80m in rettilineo. La sospensione longitudinale della linea di contatto mostrata in Figura 13 (2 corde portanti, 3 pendini, 1 linea di contatto). La corda portante sostiene il filo di contatto mediante pendini di lunghezza variabile, situati a distanze ridotte (circa 8m) e si dispone secondo una catenaria con freccia massima dellordine di 1 m: il sistema detto anche a catenaria.

Figura 11 - Sostegno di una linea di contatto a catenaria

Figura 12 - Dettaglio del captatore di corrente (pantografo)

Figura 13 - Sospensione longitudinale

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3.2 Le sottostazioniLe sottostazioni sono il luogo fisico dove i parametri di tensione e corrente sono adattati alle esigenze della trazione ferroviaria. Esse vengono alimentate dalla rete nazionale ad Alta Tensione. Le sottostazioni ferroviarie sono distribuite lungo le linee a distanze dipendenti, principalmente, dal valore della tensione della linea di contatto. Nel sistema a 3kV in c.c. la distanza tra le sotto stazioni tra i 20 35km. In una sottostazione (Figura 14) sono, normalmente, presenti due trasformatori (6) per trasformare la tensione e la corrente in ingresso (lato alta tensione) a valori adatti alla trazione (lato bassa tensione); se in corrente continua sono inoltre presenti gruppi di conversione che trasformano la corrente alternata in continua (raddrizzatori, 7); infine sono presenti interruttori di potenza (2, 10) e sezionatori (5, 11) per la protezione dai corto circuiti, sovraccarichi e le operazioni di manutenzione della sottostazione.

Figura 14 - Schema elettrico di una sotto stazione ferroviaria 3kV in c.c

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UNIVERSIT DEGLI STUDI DI PALERMO FACOLT DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE

CORSO DI TECNICA DEI TRASPORTI (Prof. L. La Franca)

APPUNTI DI CIRCOLAZIONE FERROVIARIA E STRADALE(a cura degli Ingg. Guglielmo Lacava, Giuseppe Riotto, Pietro Zito, Gianfranco Amato)

A.A. 2006/2007

1. CIRCOLAZIONE FERROVIARIA1.1 Sezioni di bloccoIn un binario ferroviario una sezione di blocco un tratto ben definito del binario stesso di cui possibile conoscere in ogni momento e con sicurezza lo stato di occupazione indipendentemente da quello delle altre sezioni di blocco adiacenti o vicine. Per stato di occupazione si intende la condizione per cui sulla sezione di blocco siano presenti o meno veicoli, sia se in corsa che fermi. Esso fa parte di un complesso di dispositivi che hanno il compito di realizzare un regime di circolazione, ossia un complesso di regole e strumenti che rendano possibile la marcia dei treni in condizioni di massima sicurezza, e soprattutto a velocit commercialmente accettabili. Linformazione sulloccupazione delle sezioni di blocco viene prodotta attraverso diverse tecnologie, come quella dei circuiti di binario e quella dei pedali conta-assi; oppure medianti metodi che prevedono il controllo umano, utilizzati soprattutto in passato, quali il controllo a vista (specie nelle stazioni) e il controllo logico (specie per i tratti di piena linea compresi tra le stazioni) realizzato mediante lo scambio di informazioni tra posti presenziati tra loro distanti (perlopi stazioni). Una sezione di blocco, fissato un verso di percorrenza, delimitata da due segnali di blocco posti ciascuno alle estremit, e denominati rispettivamente segnale di protezione il primo e segnale di uscita il secondo, ove questultimo coincide col segnale di protezione di una sezione di blocco successiva. Il segnale di uscita viene anche chiamato segnale di partenza, quando posto al termine di una sezione di blocco insistente in una stazione (binario di stazione). Inoltre assai spesso il segnale di protezione porta accoppiato il segnale di avviso relativo al successivo segnale di uscita, e quando questo non accade fra questi due segnali ve n posto un terzo con esclusiva funzione di avviso per il segnale di uscita. I segnali di protezione/uscita che si trovano fra una sezione di blocco e la sezione contigua sono genericamente definiti posto di blocco. La lunghezza delle sezioni di blocco, specie nelle linee a forte capacit di circolazione, tende ad essere regolare. La minima lunghezza delle sezioni di blocco normali di una tratta determina il massimo distanziamento ottenibile tra segnali di avviso e segnali di protezione, in questo modo quindi influenza anche gli spazi di frenatura massimi ammessi sulla linea, e quindi, in relazione anche alle prestazioni di frenatura dei singoli convogli, influisce infine sulla velocit massima da tenere in linea. Per la determinazione della massima velocit di circolazione dovuta al vincolo dello spazio di frenatura, le varie amministrazioni ferroviarie prevedono nei loro regolamenti dei metodi di calcolo per determinare tale velocit massima a partire dalle caratteristiche dei veicoli, dalla distanza di15

frenatura (che come detto influenzata dalla lunghezza minima delle sezioni di blocco), dalle pendenze delle tratte da superare e da altre variabili minori. Nella rete nazionale italiana gestita da RFI, similmente a quanto accade nelle principali reti europee, le caratteristiche di frenatura dei convogli vengono calcolate a loro volta (al momento della composizione del treno) a partire da due dati: la massa dei veicoli (definita tecnicamente peso reale) e la loro forza frenante misurata (definita tecnicamente peso frenato). Al contrario in amministrazioni ferroviarie minori caratterizzate da un parco rotabile ridotto, tale calcolo (o misurazione sperimentale) viene fatto unatantum al momento della prima immissione in servizio dei singoli rotabili, e quindi vengono emessi metodi di calcolo specifici della velocit massima per ciascuna tipologia di mezzo, se non addirittura vengono pubblicate direttamente (in orario o nel regolamento desercizio) le velocit massime tratta per tratta e mezzo per mezzo. La lunghezza reale delle sezioni di blocco, caso per caso, influenza anche la capacit della tratta ferroviaria, ossia il numero di treni per unit di tempo che possono circolare sulla linea stessa. Questa lunghezza pu variare sensibilmente: nel caso del regime di blocco elettrico manuale e del regime di blocco automatico conta-assi pu raggiungere una lunghezza considerevole, dai 1000 metri in poi fino anche a 15/20km per le linee a scarso traffico. Nel caso invece del blocco automatico su linee a doppio binario (su rete italiana), utilizzato nelle linee a maggior traffico, tale lunghezza pu essere ridotta al valore di 1350 metri, e comunque di solito non supera i 2000 metri.Regime del giunto o del blocco telefonico.

La sezione di linea delimitata da due stazioni. In ciascuna stazione presente un responsabile della circolazione che manovra i segnali. I segnali sono disposti allingresso e alluscita di ciascuna stazione. La circolazione sulla linea normalmente interdetta tramite laspetto di via impedita dei segnali. Per consentire ad un treno di andare dalla stazione A alla B, la stazione A deve richiedere alla B il consenso allinoltro del treno. Lo scambio delle informazioni avviene mediante dispacci telefonici. Il consenso pu essere concesso solo se stato verificato larrivo completo dellultimo treno che ha percorso precedentemente la sezione. Il tempo per lo scambio delle informazioni (dellordine dei minuti) riduce ovviamente la potenzialit della linea, poich esso viene sottratto al tempo disponibile per la sua utilizzazione.Blocco elettrico semiautomatico.

Il criterio analogo a quello del blocco telefonico. In questo caso lo scambio delle informazioni tra le due stazioni avviene tramite un circuito elettrico che collega le due stazioni adiacenti e termina con due dispositivi di comando a leve, uno per ciascuna stazione (strumento di blocco). Tramite la manovra delle leve viene richiesto e concesso il consenso allinoltro del treno. Sulla linea, allinizio ed alla fine della sezione, vi sono dei pedali che vengono azionati direttamente16

dal treno e segnalano loccupazione e la liberazione della sezione da parte del treno. Poich essi vengono azionati non appena il treno li incontra consentono la verifica che la testa del treno abbia raggiunto il pedale ma non verificano lintegrit del treno stesso il cui controllo ancora compito del personale di stazione. Anche in questo caso la circolazione sulla linea normalmente interdetta se non quando esplicitamente autorizzata a seguito di richiesta e concessione del consenso.Blocco automatico

La funzione principale degli impianti di Blocco Automatico quella di rilevare la posizione dei treni in circolazione rispetto a tratte fisse individuate sui binari e denominate sezioni di blocco, ed in base a questa informazione consentire la regolazione (perlopi automatica) del sistema di segnalamento in modo da imporre un certo distanziamento tra i vari treni, proteggendo inoltre gli stessi dalla manovra indebita o pericolosa di deviatoi (per esempio durante o prima del transito di un treno) o da altri movimenti di veicoli che vadano ad interferire con itinerari in corso di percorrenza. Allinizio e a protezione di ogni sezione di blocco, collocato un segnale luminoso che comunica lo stato di via libera relativo alla sezione protetta. Nella cabina del macchinista, a bordo macchina, un indicazione luminosa ripete con continuit al macchinista lo stato di libert della via. Il livello di sicurezza maggiore se vengono riprodotti i segnali del secondo e, eventualmente, terzo blocco di sezione, che informano i treni in coda della situazione del traffico a diversi chilometri di distanza. Ogni treno, dotato di questo dispositivo, invia informazioni sulla sua posizione (attraverso un circuito di binario). Le indicazioni sullaspetto dei segnali, e quindi sulla libert della via, sono inviate a mezzo codici di binario. Maggiore il numero dei codici disponibili maggiore la distanza a cui viene informato il macchinista dellesistenza di un segnale a via impedita. Ci aumenta gli spazi disponibili per la frenatura e quindi la velocit dei convogli. Gli impianti di Blocco Automatico inoltre gestiscono automaticamente il funzionamento e la protezione dei passaggi a livello se presenti nella tratta in cui limpianto installato; con altri regimi di circolazione diversi dal Blocco Automatico i passaggi a livello vengono invece gestiti con altri sistemi talvolta pure automatici e talvolta invece a comando manuale. In generale si distinguono due differenti implementazioni di questo sistema: Blocco Automatico a Circuiti di Binario, detto anche blocco automatico a correntifisse: Tale regime di circolazione fondato, oltre che su una serie di regole, su un

insieme di apparati fissi che hanno la funzione di rilevare la posizione dei treni in circolazione, contribuendo cos a garantire un regime di circolazione sicuro17

producendo informazioni indispensabili alla regolazione del distanziamento tra treni e della loro protezione rispetto agli ostacoli fissi. Nelle tratte ferroviarie in cui implementato, il controllo di occupazione di una sezione di blocco effettuato mediante la tecnologia dei circuiti di binario. Uninteressante e diffusa evoluzione di questo sistema quella del blocco automatico a correnti codificate in cui le correnti del circuito di binario sono sfruttate per trasportare un segnale elettrico, costituito da una sovramodulazione a frequenze prestabilite e corrispondenti, secondo uno schema logico, allaspetto proiettato dal segnale di blocco che si trova al termine della sezione di blocco. Blocco Automatico a Correnti Codificate (acronimo B.A.C.C.): una tecnica originalmente elettromeccanica (oggi elettronica) che consente, tramite la ripetizione dei segnali nella cabina di guida di un treno, la circolazione di treni a velocit superiori a 150 km/h in piena sicurezza, assicurando la presenza di un adeguato spazio di frenatura per ciascun convoglio, e comandando, tramite un dispositivo atto a controllare ladeguata risposta del macchinista allinformazione, la frenatura rapida nel caso in cui il convoglio dovesse superare la velocit di sicurezza nellapprossimarsi ad un segnale (semaforo) disposto a via impedita. Tale tecnica sfrutta la presenza di una tecnologia gi esistente nel blocco automatico a correnti fisse, cio i circuiti di binario. Normalmente questi servono solo per rilevare la presenza o meno di un treno in una determinata sezione di blocco. Nel B.A.C.C. questa corrente, invece di essere continua, viene trasmessa in corrente alternata a determinate frequenze (50 e 178 Hz) e modulata con diverse interruzioni al minuto: in questo modo diventa possibile trasmettere al treno determinate informazioni, in particolar modo laspetto dei prossimi segnali che incontrer. In questo modo viene quindi realizzata la cosiddetta ripetizione dei segnali in cabina. Grazie a tale segnalazione i sistemi di bordo della cabina di guida possono attuare una serie di contromisure che vanno dal semplice avviso ottico/acustico al macchinista fino allinnesco della frenatura rapida nel caso in cui il macchinista non agisca prontamente (entro 3 secondi) alla segnalazione. Tale tecnica risulta utile non solo nei casi di malore o disattenzione del macchinista ma soprattutto nelle situazioni di scarsa visibilit (nebbia, pioggia, neve, marcia ad alta velocit, curve strette, ecc.) dove il personale della locomotiva non in grado di vedere a distanza lo stato dei segnali e quindi agire per tempo.

18

1.2 Potenzialit di una linea ferroviaria:

A

C

D

B

Figura 15 - Distanza minima di sicurezza fra due treni sulla stessa linea

Il convoglio in AC non impegna la tratta CD se questa non viene segnalata libera e cos via. dove: d = sr + sa + so + L = v tr + v2/2a + so + L

d = distanziamento minimo in sicurezza tra la testa di due treni; sr = spazio percorso nel tempo di reazione tr (da 0,2 a 2-3 sec.) = v tr; sa = spazio di frenatura = v2/2a; so = franco di sicurezza (dipende dai tipi di treno); L = lunghezza di un treno; v = velocit del treno; a = accelerazione media del treno. Il distanziamento temporale t (lintervallo di tempo tra i passaggi di due treni in una sezione della linea) si ottiene dividendo il distanziamento spaziale per la velocit del treno v:t = v s0 + L d = tr + + 2a v v

La potenzialit P (ovvero il numero massimo di treni che possono percorrere una data linea) data dallinverso del distanziamento temporale minimo tra due treni successivi:

P=

1 = t

1 tr + v s0 + L + 2a v

La potenzialit dipende, quindi, dalla velocit del treno. In particolare a basse velocit essa aumenta allaumentare della velocit, poich il peso del secondo termine a denominatore trascurabile rispetto al terzo, mentre a velocit pi elevate la situazione si inverte e la potenzialit diminuisce, poich il terzo termine a denominatore trascurabile rispetto al secondo. In generale, la curva di potenzialit indica il valore massimo di frequenza dei treni per unassegnata velocit (Figura 16).19

PPotenzialit con distanziamento variabile Potenzialit con distanziamento fisso

vmax Figura 16 - Potenzialit di una linea

v

Lespressione ottenuta esprime la potenzialit teorica massima per un assegnato valore di velocit con riferimento a circolazione omotachica, cio di treni tutti uguali tra loro e presuppone una continua informazione della distanza rispetto al treno che precede. Per eterotachicit della circolazione, i sistemi di distanziamento basati sulla sezione di blocco informano sulla posizione del treno che precede con una precisione che dipende dalla sezione di blocco. Il sistema rileva lo stato di occupazione della sezione ma non la posizione del treno sulla sezione. La posizione determinata pertanto con un errore pari allintera estensione della sezione stessa. Daltra parte la distanza tra il segnale di avviso e quello di protezione deve essere almeno pari allo spazio di arresto a partire dalla velocit massima consentita sulla linea, cio deve valere la relazione:

v2 + s0 2a dove lo spazio di avvistamento del segnale (Figura 17).

+ vt r +

Figura 17 - Spazio di avvistamento

Nel caso di segnalamento a due aspetti il distanziamento minimo tra due treni che consente la marcia imperturbata degli stessi diventa pertanto (Figura 18):

d = + + D + s0 + L20

dove D la lunghezza della sezione di blocco (che deve essere maggiore del distanza minima di sicurezza). Si pu facilmente notare, come il distanziamento minimo sia indipendente dalla velocit. Il distanziamento temporale e la potenzialit sono espressi dalle relazioni:

t =

d 1 v ; P= = v t d

Il distanziamento temporale minimo e la potenzialit massima, ovvero la capacit della linea si hanno in corrispondenza della massima velocit vmax consentita dalla distanza tra segnale di avviso e segnale di protezione (assumendo che la distanza tra i segnali sia superiore al distanziamento minimo di sicurezza). Di conseguenza, la potenzialit effettiva crescente con la velocit (Figura 16). Lo scarto tra la potenzialit teorica e quella effettiva dipende dal sistema di distanziamento. Esso pu essere ridotto con sistemi di distanziamento che consentono di rilevare la posizione del treno con una precisione maggiore di quella che si ottiene con la sezione di blocco. Lespressione della potenzialit sopra riportata si riferisce ad una linea in cui le sezioni di blocco hanno tutte la stessa lunghezza e i treni marciano tutti alla stessa velocit. Nella realt entrambe le condizioni non sono rispettate poich la lunghezza delle sezioni di blocco varia lungo la linea e la linea in genere pu essere percorsa da treni di caratteristiche diverse (un treno lento ed uno veloce), ma la loro trattazione esula dagli scopi del corso.

Figura 18 - Distanziamento minimo con segnalamento a due aspetti

1.3 Orario GraficoIn una linea ferroviaria reale esistono tre tipi di orari: grafico, per il pubblico e numerico. Lorario grafico comprende sia lorario numerico che quello per il pubblico. Lorario per il pubblico noto a tutti e riporta il solo traffico viaggiatori. Lorario numerico o detto anche di servizio compilato in modo analogo, ma comprende tutti i treni in circolazione con incroci, precedenze ed altre indicazioni per il personale ferroviario.21

Lorario grafico comprende tutte le indicazioni dellorario numerico sotto forma di diagramma nel quale viene riportato in ascisse lorario (cio il tempo) e in ordinate la distanza ( lo spazio). Ogni treno rappresentato da una linea spezzata i cui tratti obliqui indicano la marcia del convoglio ferroviario e/o treno da una stazione allaltra (localit): pi il tratto inclinato pi il treno veloce. Se il treno marcia da A verso D contrassegnato da un numero dispari (es. 111), mentre se viaggia in senso opposto il numero pari (es. 112). Lorario grafico permette di sintetizzare tutto il traffico in linea in un diagramma di modo che un ferroviere ha idea di dove si trovi in un certo istante ogni treno. La Figura 19 rappresenta un esempio di orario grafico.

Figura 19 - Orario grafico per una ferrovia a semplice binario

111 traffico con fermata in B e C; 112-113 circolazione inversa con fermate in B e coincidenza in C; 115-117 circolazione unidirezionale con fermata di 115 in B, sorpasso di 117 in C che non si ferma in B, mentre i due hanno coincidenza in C. Sulla base di ragionamenti analoghi a quelli sviluppati per le linee, la potenzialit di una stazione viaggiatori quantificabile dal numero massimo di treni che possono arrivare e partire nellunit di tempo presa in considerazione (normalmente 1 ora). Un elemento di ciclicit nel funzionamento delle stazioni viaggiatori, su scala oraria dato dallestensione degli orari cadenzati dai servizi locali a quelli a lungo percorso. Con il cadenzamento i treni partono tutti ad un determinato intervallo di tempo (di solito ogni 30, 60 e 120), offrendo al viaggiatore non solo la possibilit di memorizzare facilmente lora di partenza, ma soprattutto, di programmare gli spostamenti in maniera elastica.

22

2. ELEMENTI DI TEORIA DEL DEFLUSSO STRADALE2.1 Caratteristiche della marcia su stradaLa marcia di un veicolo stradale definita come a vista in contrapposizione alla marcia dei veicoli di tipo ferroviario che del tipo strumentale. Infatti i treni, le metropolitane, e altri sistemi di trasporto di massa in sede propria possiedono una speciale strumentazione a bordo e a terra che rende possibile una marcia guidata o da terra automaticamente o per mezzo di segnali a terra e che vengono visti o ricevuti dal guidatore il quale si regola in base ad essi. Nella marcia dei veicoli su strada ordinaria invece (e fra questi poniamo anche i tram ed i filobus) il guidatore deve regolarsi di volta in volta ad iniziare le frenate, i rallentamenti, le accelerazioni, ecc. Escludendo poi i veicoli vincolati ad una sede, quindi ad un percorso preordinato, come i tram ed entro certi limiti anche i filobus, il guidatore dovr intervenire anche nella scelta del percorso, intendendosi sia che scelga la posizione in seno ad una strada o addirittura che possa, volendo, cambiare anche la strada. Escludiamo inoltre la possibilit, per studiare una situazione ancora pi generica, che i veicoli facciano parte di una circolazione preordinata e supponiamo quindi che il deflusso non debba sottostare a nessun orario. Quindi il guidatore su strada dovr regolarsi a vista (da qui la definizione) per attuare quelle manovre di avviamento, accelerazione e decelerazione, rallentamento, arresti, sterzatura, ecc. necessarie alla sicurezza ed alla regolarit di marcia del proprio mezzo. Linsieme dei veicoli che si muove in una strada pu pensarsi come un insieme di entit diverse, aventi caratteristiche, desideri, modi di fare, ecc.. gli uni diversi dagli altri, sia per la diversit dei tipi di veicoli, ma anche per la diversa guida caratteristica di ogni guidatore, per i diversi itinerari desiderati, ecc. Possiamo quindi immaginare il volume di traffico come una popolazione dal comportamento del tutto diverso fra elemento ed elemento, ignoto ed imprevedibile per lo pi nei singoli elementi, noto forse soltanto probabilisticamente nella massa, ove si siano fatte in precedenza opportune indagini statistiche. Nel seno stesso del volume del traffico stradale la marcia dei singoli veicoli dipende dalla condizione generale del volume di traffico, a causa delle azioni reciproche che i veicoli tra loro mutuamente esercitano. In tal modo si possono ravvisare, soggettivamente, due condizioni di marcia a seconda dellentit degli effetti delle mutue azioni fra veicoli, sui singoli veicoli: marcia libera e marcia condizionata. Tecnicamente si avrebbe marcia libera quando un veicolo fosse libero di compiere tutte le manovre, limitatamente al rispetto della sede stradale; quindi sempre teoricamente, perch sia soddisfatta questa condizione bisogna che il veicolo sia completamente solo; in pratica sar23

sufficiente che il veicolo possa mantenere la propria velocit desiderata senza che venga intralciato dagli altri. Laltra condizione di marcia quella condizionata che si realizza quando veicoli con velocit desiderate diverse, si intralciano reciprocamente provocando, necessariamente, una limitazione di velocit ai veicoli pi veloci (evidentemente non possibile il contrario). A rigore quindi la marcia sarebbe sempre condizionata, appena due veicoli si susseguono a distanza minore di quella di manovra (frenatura, deviazione, cambio di corsia, ecc.). Tuttavia, avendo sempre presente quanto ora precisato, pu essere comodo in generale dividere le condizioni di marcia nei due tipi suddetti, con lintesa di chiamare marcia libera quella in cui sono possibili dei sorpassi, marcia condizionata quella in cui non lo sono. La marcia condizionata caratterizzata dal fatto che per una qualsiasi causa di disturbo pu interrompersi, realizzando cosi quella condizione critica chiamata congestione (q=0; v=0; k>0 vedere avanti). La conoscenza delle condizioni di marcia, necessaria per lo studio della capacit di una strada, basata su due elementi: conoscenza pratica del deflusso ottenibile attraverso esperienze e rappresentazione teorica del deflusso mediante certi modelli. Per quanto riguarda laspetto teorico del deflusso, verranno presi in considerazione soltanto alcuni aspetti semplici riguardanti direttamente il problema del deflusso. Giova qui ricordare che fino ad alcuni anni fa venivano svolti studi su modelli matematici della teoria del traffico, pi ad opera di matematici che si destreggiavano in ricerche teoriche, che di specialisti di trasporti. Venivano formulati modelli diversi come quello del veicolo accodato, come quelli di analogia con la teoria cinetica dei gas e altri ancora pi complessi. La corrispondenza fra diverse teorie ed i casi pratici venuta successivamente a seguito dei grandi e numerosi rilevamenti sperimentali della ricerca applicata americana ed inglese, questultima specialmente ad opera del Road Research Laboratory. La conoscenza dei modelli teorici, anche se non sempre perfettamente provata nella pratica, risulta di estrema utilit per comprendere i fenomeni che stanno alla base del deflusso, per venire alla conoscenza di quei fatti che permettono di affrontare con un minimo di conoscenza i problemi legati alla capacit delle strade ed a quelli connessi con lassegnazione ed il modal split. Specialmente per quanto riguarda la capacit e lassegnazione necessario avere una certa conoscenza dei fattori legati alla teoria del deflusso.

2.2 I parametri e la relazione fondamentale del deflussoLo studio teorico del deflusso stradale presenta notevoli difficolt, per la composizione eterogenea del parco veicolare, per il carattere della marcia a vista, per la presenza di elementi24

estranei al deflusso (pedoni, veicoli in sosta, dispositivi di segnalamento come semafori, ecc.), che rendono discontinuo il fenomeno. Nelle studio del deflusso su strada, possiamo in generale individuare tre parametri caratteristici principali: il volume di traffico o portata q, la concentrazione o densit k, la velocit media del deflusso v. Queste tre grandezze sono legate dalla relazione: (1)

q = kv dove:

q - volume di traffico o portata: numero di veicoli che transitano attraverso una sezione

della strada nellunit di tempo;k - concentrazione o densit: numero di veicoli che in un dato istante sono compresi in un

tratto di strada di lunghezza unitaria (se i veicoli sono uniformemente distanziati alla distanza d si ha k=l/d);v - velocit media del deflusso: media delle velocit possedute dai veicoli che nellunit di

tempo transitano attraverso una sezione, oppure media delle velocit possedute dai veicoli che in un certo istante si trovano in un tratto di strada di lunghezza unitaria (vedremo pi avanti quale velocit media dovremo considerare). Si noti che la (1) dimensionalmente corretta in quanto: q = k = numeroveicoli = T 1 tempo numeroveicoli = L1 spazio spazio = LT 1 tempo

v = per cui:

kv = L1 LT 1 = T 1 = q

La (1) valida deterministicamente in condizioni di veicoli che si muovono incolonnati, senza sorpassi: in tale caso tutti i veicoli possiedono la medesima velocit che anche la velocit media del deflusso veicolare. Viceversa per una situazione di marcia in cui sono possibili i sorpassi la (1) non pi valida deterministicamente, ma pu essere utilizzata con significato statistico.

25

2.3 Curve caratteristiche del deflussoSi trovato sperimentalmente che le tre grandezze q, k, v, sono legate genericamente dalla (1). Tra i modelli di deflusso stazionari (le cui grandezze fondamentali non dipendono punto per punto ne dal tempo e ne dallo spazio q(x,t) = q, k(x,t) = k, v(x,t) = v) proposti in letteratura, il modello di Greenshields si contraddistingue per la sua semplicit. Questo modello si basa sullipotesi di assumere lineare la relazione tra velocit e densit come segue:

v = vo

vo k k*

(2)

indicando con vo la velocit di flusso libero cio la velocit massima raggiunta quando il flusso prossimo a zero e con k* densit di congestione cio quel valore di densit sotto condizioni estreme di congestione quando la velocit ed il flusso sono prossimi a zero. Inoltre, combinando lequazione (1) con lequazione (2) si ottiene:

q = vo k

vo 2 k k*

(3)

Infine, ricordando dallequazione (1) che: k = q/v, si ottiene:

v 2 = vo v

vo q k*

(4)

Ovviamente queste tre relazioni sono sovrabbondanti, basta solo lequazione di stato (1) ed una sola delle tre equazioni (2, 3 e 4). Le equazioni 3 e 4 ci permettono di determinare la densit e la velocit in condizioni di flusso massimo. Facendo la derivata dellequazione (3) rispetto a k ed uguagliando a zero si ottiene:

v k* dq = vo 2k o* = 0 k c = 2 dk kIn modo simile dallequazione (4) dq/dv = 0 si ottiene:

vc =

vo 2

Questo significa che per il modello di Greenshields la velocit in condizioni di flusso massimo (capacit della sezione stradale) la met della velocit di flusso libero. Poich il flusso il prodotto della velocit per la densit, il flusso massimo (capacit) pu essere espresso:26

k *vo qm = kc vc = 4Tutte le relazioni (2, 3 e 4) danno luogo ad una variazione del tipo indicate nel diagramma di Figura 20, in cui esse sono state correlate due a due.

Figura 20 - Curve caratteristiche del deflusso

In particolare si nota che in (q, k) si ha dapprima un aumento di q al crescere di k; poi, raggiunto un massimo C=qmax per k=kc, la q ricomincia a calare fino ad annullarsi per k=k* che rappresenta la concentrazione di congestione per la quale si annulla la velocit v. La massima q, si ottiene per una velocit vc. La velocit, nel diagramma (q, k) espressa dal rapporto q/k, rappresentata dalla tg. In particolare v0=tg la velocit di flusso libero, ossia la velocit che ha un veicolo quando solo a percorrere una strada. La curva (q, v) ha un andamento analogo: al calare di v dal limite v0, il volume q aumenta (perch cresce contemporaneamente k), fino ad valore massimo qmax=C, poi cala q fino a 0. Per quanto riguarda (k,v) si vede che la velocit media del deflusso diminuisce sempre al crescere di k. La causa di questa diminuzione va ricercata nella sempre maggiore difficolt di manovra dei veicoli pi veloci la cui marcia viene condizionata da quelli pi lenti quanto pi cresce k. Nella Figura 21 sono riportati alcuni esempi di relazioni q, k, v ricavati sperimentalmente (da HCM). La forma delle curve dipendono dalle condizioni medie, prevalenti e occasionali, della strada e del traffico, dalla composizione del deflusso e da molti altri fattori.

27

Figura 21 - Relazioni sperimentali fra i parametri del deflusso: portata-densit; b) velocitdensit; c) velocit-portata 2

2.4 Circolazione in condizioni di flusso ininterrottoSi chiama flusso ininterrotto quella condizione di circolazione in cui il flusso di una corrente veicolare non subisce interruzioni per cause a essa estranee. In questo caso pertanto, esclusa la presenza di semafori o comunque di intersezioni, mentre possono verificarsi interruzioni dovute per esempio allimmissione in corsia di un veicolo in sosta sulla banchina, o anche a un incidente, o comunque causate dai veicoli stessi che fanno parte del flusso. Le condizioni di flusso interrotto, invece, sono caratterizzate da interruzioni per cause estranee alla corrente veicolare e sono quelle che solitamente si presentano alle intersezioni, nelle quali interruzioni di questo tipo possono essere dovute alle soste per consentire gli attraversamenti

2

Si noti che la capacit massima si ha per V z 50km/h (z 31miglia/h); questo spiega il limite di velocit urbano comunemente prescritto. 28

da parte di pedoni o di veicoli, alle immissioni, alle zone di scambio, ecc., per cui, quando si parla di flusso interrotto, ci si riferisce di solito alle condizioni della circolazione alle intersezioni. In questo capitolo tratteremo le condizioni di flusso ininterrotto che si presentano cio nei tratti di strada lontani dalle intersezioni.

2.5 Flusso di traffico. Portata oraria.Il flusso, o meglio la portata, pu essere definito come il numero di veicoli che transitano attraverso unassegnata sezione di una corsia o di una carreggiata durante un certo periodo di tempo. Per poter scegliere lampiezza di questo periodo occorre osservare che deve essere sufficientemente ristretto per garantire che in esso il flusso veicolare sia abbastanza stazionario, cio che il numero dei veicoli, che transitano durante i piccoli intervalli nei quali pu essere diviso questo periodo di tempo, non sia molto variabile; daltra parte per deve essere anche abbastanza ampio perch si possa rappresentare la variabilit del flusso nel tempo con un numero non molto grande e non eccessivamente disperso di valori. Se per esempio si vuole rappresentare la variabilit della portata durante un anno e ci si riferisce alla portata oraria, si debbono confrontare 24 x 365 = 8.760 valori; se invece si considera la portata relativa a 15 min, si ha un numero quattro volte pi grande di valori i quali, per ragioni che vedremo pi avanti, sono anche molto pi dispersi. Si ritenuto che lora sia il periodo di tempo che soddisfa questa esigenza e pertanto ci si riferir alla portata oraria.

2.6 Capacit e livelli di servizioSi suole definire capacit C di una strada quel valore della portata oraria al di l del quale si ha congestione e densit critica il corrispondente valore della densit veicolare. Per quanto si detto, tali valori non possono essere definiti in modo univoco, poich la congestione pu prodursi, con probabilit pi o meno grande, in corrispondenza di un intervallo discreto di portate. Si pertanto scelto come valore della capacit una portata compresa allinterno di tale intervallo, la quale possiede una ragionevole probabilit di non poter essere superata; pur ammettendo ovviamente la possibilit che si determini congestione per portate minori o maggiori del valore di capacit prescelto. Si suole, inoltre, definire velocit possibile la massima velocit commerciale che un conducente pu mantenere con sicurezza su una strada, in corrispondenza di una certa portata oraria, intendendo per velocit commerciale la distanza totale percorsa, divisa per il tempo totale impiegato, compresi tutti i ritardi imposti dalla circolazione. Il limite superiore della velocit possibile evidentemente la velocit di progetto della strada.29

Per gli scopi della progettazione stradale in genere necessario definire le condizioni di esercizio in modo che esse possano essere poste a confronto con il costo di costruzione e si possa quindi scegliere la soluzione pi conveniente. In questo caso si assume di solito come rappresentativo delle condizioni di esercizio il costo del trasporto assegnando opportunamente un costo a tutti gli oneri connessi col traffico. Quando invece ci si limita alla semplice descrizione delle condizioni in cui pu svolgersi il traffico su una strada, oppure quando nella progettazione stradale si fissano a priori le condizioni di esercizio della strada rinunziando a confrontarle con il costo di costruzione, riesce particolarmente efficace un metodo creato negli Stati Uniti, il quale definisce le condizioni operative in funzione di due sole variabili, la velocit possibile e il rapporto Q/C tra la portata oraria e la capacit della strada. Si ritenuto infatti che la velocit possibile, oltre a essere uno degli elementi caratterizzanti le condizioni di esercizio da unidea abbastanza chiara del tempo di percorrenza, mentre il rapporto

Q/C un indicatore della libert di guida, del confort, della sicurezza e quindi della economia deltrasporto. Lintero campo delle condizioni operative illustrate per ciascun tipo di strada dai diagrammi di flusso stato diviso in 6 intervalli, detti livelli di servizio, i cui confini sono stati definiti, per le diverse strade, in funzione della velocit possibile e del rapporto Q/C; i 6 livelli sono contrassegnati con le lettere da A ad F che rappresentano rispettivamente il livello migliore e il peggiore (Tabella 3). La massima portata oraria compatibile con un certo livello di servizio prende il nome di

portata di servizio relativa a quel livello.

Figura 22 - Livelli di servizio

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Livello A

Tabella 3 - Livelli di servizio: condizioni operative Condizioni operative Condizioni di flusso libero, con bassi volumi di traffico ed elevate velocit. Sono praticamente nulle le restrizioni alla libert di manovra dei conducenti; le velocit sono limitate solo dalle caratteristiche geometriche della strada o dai limiti imposti dallAmministrazione. Zona di flusso stabile, in cui le velocit possibili cominciano a essere limitate in qualche modo dalle condizioni della circolazione; comunque i conducenti hanno sempre una ragionevole libert di scelta sia della velocit sia della corsia di marcia. Zona del flusso stabile, ma le velocit e la libert di manovra sono un p pi condizionate dalle pi alte portate. La maggior parte dei conducenti vede limitata la propria libert di scegliere la velocit, di cambiare corsia o di sorpassare; tuttavia si ottiene ancora una velocit possibile relativamente soddisfacente. Si avvicina al flusso instabile; vengono mantenute velocit possibili accettabili anche se notevolmente influenzate dai cambiamenti delle condizioni della circolazione. Oscillazioni della portata e restrizioni temporanee del flusso possono causare notevoli riduzioni della velocit possibile. I conducenti hanno limitata libert di manovra con scarso confort di marcia; queste condizioni sono tuttavia tollerabili per breve periodo di tempo. rappresentativo della situazione che si crea quando le portate orarie si avvicinano o raggiungono la capacit della strada; in queste condizioni le velocit possibili sono quasi sempre comprese intorno ai 50 km/h. Il flusso instabile e possono esservi temporanei arresti nella marcia dei veicoli. Caratterizza la fase di congestione. Come si visto il flusso instabile con frequenti arresti; le velocit sono basse e possono addirittura annullarsi. Si hanno densit molto forti mentre le portate diventano nulle. Queste condizioni generalmente si verificano quando code di veicoli si formano a causa di un ostacolo a valle.

B

C

D

E

F

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UNIVERSIT DEGLI STUDI DI PALERMO FACOLT DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE

CORSO DI TECNICA DEI TRASPORTI (Prof. L. La Franca)

APPUNTI DI I TRASPORTI AEREI(a cura della dott.ssa Monica Luzzio)

A.A. 2006/2007

1. PREMESSALo sviluppo del trasporto aereo negli ultimi decenni avvenuto allinterno di un quadro complesso caratterizzato da profonde modifiche tecniche, gestionali ed organizzative idonee a fornire una risposta adeguata ad una domanda sempre crescente e sempre pi differenziata. Tali mutamenti sono stati originati sia dalle spinte provenienti dallindustria aeronautica sia dalla sempre crescente necessit di liberalizzare un settore in forte crescita, per lungo tempo imbrigliato in schemi regolamentari troppo rigidi. A prescindere dalle ragioni sociali ed economiche, che nella storia hanno condotto luomo a sviluppare i trasporti, lessere umano, utilizzando la trazione animale sulla terra e la navigazione a vela sulle acque, ha, seppure in diversi contesti, sempre apprezzato il concetto di velocit dello spostamento. Tale qualit del trasporto permette di intervenire sul costo generalizzato del trasporto, essendo il tempo di viaggio uno degli elementi di costo rilevante, assieme a quello tecnico/energetico. Soltanto da poco pi di un secolo si potuta sviluppare la trazione meccanica applicata ai trasporti in quanto i risultati delle innovazioni illuministe hanno permesso di sostituire alla forza propulsiva tradizionale quella derivante dalle macchine termiche, vale a dire macchine in grado di trasformare lenergia termica in lavoro meccanico e quindi in trazione. Lo sviluppo dei motori, esotermici prima (macchine a vapore) ed endotermici dopo (ciclo Otto e Diesel) permise di avere a disposizione con questi ultimi una fonte di energia abbastanza leggera, dotata di una certa autonomia e quindi adattabile alle necessit del volo. In pratica la configurazione dei primi velivoli dei fratelli Wright (il primo volo risale al 1903) non mai cambiata, consistendo in un veicolo che affida alle superfici alari, superata una certa velocit, il sostentamento nellaria ed al propulsore il compito di vincere le resistenze di avanzamento e mantenere quindi la velocit sufficiente al sostentamento stesso. Il lato interessante consiste nel fatto che la velocit conseguibile durante il volo molto maggiore di quella raggiungibile dai veicoli che si spostano sulla superficie terrestre e che il rapporto tra il peso complessivo del veicolo ed il necessario sforzo di trazione del suo propulsore si mantiene sempre a vantaggio del primo che risulta, con larga approssimazione, da 2 a 5 volte maggiore. Lidea del sostentamento mediante superfici in moto relativo rispetto allaria deriva certamente dalla osservazione del volo degli uccelli ed in seguito dalle sperimentazioni sui cervi volanti (aquiloni) che affidati al vento ed assicurati ad un filo di governo possono godere di una sufficiente forza di sostentamento; ma fu lapplicazione di particolari profili delle ali che permise di

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avere rapporti tra sostentamento (verticale) e resistenza allavanzamento (orizzontale) praticamente percorribili e vantaggiosi. Lo sviluppo del trasporto aereo, superati i primi scetticismi, port ad uno sconvolgimento dello storico rapporto tra spazio e tempo fino ad influenzare, non solo correnti artistiche/filosofiche come, ad esempio, quella dei futuristi, ma la societ e leconomia nel suo complesso. I fatti che comunque segnarono le tappe fondamentali dello sviluppo tecnologico ed applicativo si verificarono quasi sempre contemporaneamente al verificarsi di eventi bellici. Nel tempo le due funzioni (civili e militari) si sono sempre di pi separate, costituendo due sistemi complessi di straordinaria dimensione tecnica ed economica. Ma sempre la ricerca del mantenimento del sistema aeronautico per fini bellici nel suo complesso (specialisti, industrie, organizzazione e mezzi) che ha portato le nazioni a guardare a questo settore con molta attenzione e cautela, determinando il nascere di accordi, limitazioni e/o concessioni reciproche e regolamenti pi o meno protezionistici. Le recenti ricerche e sperimentazioni fanno comunque presagire un nuovo impulso al trasporto aereo civile supersonico con obiettivo di velocit mach 6 e quindi affermando sempre pi il valore della velocit come qualit di tale modo di trasporto.

Prof. Luigi La Franca

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2. LA GESTIONE DEL TRASPORTO AEREOLimpetuoso sviluppo del trasporto aereo negli ultimi decenni avvenuto in un quadro di modiche tecniche ed organizzative di gran rilievo che hanno reso possibile il soddisfacimento di una domanda crescente e sempre pi differenziata. Lintensificarsi degli scambi economici e culturali tra aree geografiche diverse e la necessit di effettuare spostamenti in tempi contenuti ha determinato uno sviluppo sempre pi rapido del sistema di trasporto aereo (sia passeggeri che merci) sulle medie e lunghe distanze.

2.1 Laeromobile: classificazioneIn termini generali si definiscono aeromobili quei velivoli che possono sostentarsi nellatmosfera per mezzo delle reazioni dellaria. Essi si possono suddividere cos come riportato nella Tabella 4.Tabella 4 - Classificazione delle macchine per volareaeromobile aerostato libero frenato osservatorio meteorologico sbarramento dirigibile floscio semirigido rigido aerodina velivolo aliante libratore aliante veleggiatore aeroplano idrovolante anfibio aerogiro autogiro elicottero elicoplano

Nel dettaglio, si forniscono le seguenti definizioni:

Aerostati: Il sostentamento dovuto alle pressioni esercitate staticamente dallariao Aerostato libero: non ha organi atti alla sua manovrabilit, esso si muove in

funzione delle correnti aeree che va incontrando.o Aerostato frenato: strutturalmente come il libero, soltanto che collegato ad un

punto fisso mediante un cavo.o Dirigibile: un aerostato capace di muovere e dirigere in qualsiasi direzione;

dotato di organi di governo, stabilit e propulsione: Esso pu essere: floscio (quando la forma esterna mantenuta solo dalla pressione interna del gas), semirigido (quando la forma esterna mantenuta con lausilio di qualche rinforzo), rigido (quando la forma esterna mantenuta totalmente da una struttura interna).

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Aerodine: il sostentamento dovuto alle pressioni esercitate dallaria dinamicamentee ci si ottiene per effetto del moto relativo dellaeromobile (o di parti di esso) rispetto allaria stessa.o Velivolo: unaerodina con velatura fissa il cui sostentamento dato dalla

velocit dellaria che impatta con la suddetta velatura.o Aliante: un velivolo senza organi di propulsione, che attrezzato per eseguire un

volo librato che pu essere solo discendente (aliante libratore) o anche navigato se pu sfruttare correnti ascensionali (aliante veleggiatore).o Aeroplano: un velivolo autonomo che pu atterrare, decollare, manovrare in

volo a suo piacimento.o Idrovolante: un aeroplano che atterra e decolla da specchi dacqua. o Anfibio: un velivolo con le caratteristiche sia dellaeroplano sia dellidrovolante. o Aerogiro: unaerodina con la velatura mobile. o Autogiro: un aerogiro il cui apparato sostentatore costituito da unelica folle e

la propulsione affidata ad un motore.o Elicottero: un aerogiro in cui la sostentazione e la propulsione vengono prodotte

da ali rotanti mosse da un motore.o Elicoplano: un aerogiro dove lapparato sostentatore costituito da una o pi

eliche mosse da un motore, mentre lapparato propulsivo da un motore che genera una spinta nella direzione della traiettoria. Della classe degli aeroplani, infine, fanno parte V/STOL (Vertical and/or Short Take-Off andLanding), velivoli non tradizionali, che vantano particolari capacit nelle fasi di decollo e di

atterraggio. Gli aeromobili a decollo verticale (VTOL, Vertical Take Off and Landing) sono caratterizzati dalla possibilit dinvolo ed approdo verticale, come gli elicotteri, ma si differenziano da questi per lelevata velocit di trasferimento (come gli aerei). Essi sono provvisti di un unico sistema propulsivo per la sostentazione e la locomozione. Nel caso di motore a reazione, si orienta il getto con opportuni deflettori; per la propulsione ad elica, invece, si sperimentata la rotazione di 90 dei propulsori e delle eliche. I vantaggi principali sono costituiti dalla riduzione dei costi per le infrastrutture aeroportuali e da quelli derivanti dalla possibilit di costruire le aerostazioni pi vicine od allinterno dei centri abitati; gli svantaggi, dalle altissime potenze necessarie, dalla notevole rumorosit e da una scarsa stabilit alle basse velocit e da una limitata autonomia. Gli aeromobili a decollo corto (STOL, Short Take Off and Landing) sono muniti di sistemi di ipersostentazione molto elaborati che consentono una notevole riduzione della lunghezza delle piste necessarie per il decollo e latterraggio; essi partecipano degli svantaggi e dei vantaggi elencati per i VTOL.36

2.2 Servizi di assistenza al volo: traffico aereo GAT e OATLa sicurezza e la regolarit della navigazione aerea sono assicurate da quattro tipologie di servizi di Assistenza al Volo, stabiliti dallannesso 11 dellICAO (International Civil Aviation Organization): 1. servizi del traffico aereo: servizi di controllo del traffico aereo, servizio informazioni volo (allinterno di esso si colloca il servizio consultivo del traffico aereo), servizi di allarme (nellambito di essi vi il servizio di ricerca e soccorso); 2. servizi di telecomunicazioni aeronautiche: informazioni e avvisi via radio; collegamento telefonico e radio fra le stazioni a terra; collegamenti radio mobili terrabordo-terra, terra-terra, bordo-bordo; determinazione della posizione e orientamento in volo mediante apparati a terra, cio, radioassistenze e radar; 3. servizi della meteorologia aeronautica: informazioni sulla situazione meteorologica presente e prevista; 4. servizi di informazioni aeronautiche: esercitati mediante pubblicazioni di informazioni aeronautiche o AIP, diramazione di NOTAM, ovvero di notizie urgenti o a carattere provvisorio dirette ai naviganti, circolari di informazioni aeronautiche AIC, carte aeronautiche. In particolare il servizio di controllo del traffico aereo si differenzia in servizio di controllo darea per i voli in rotta, servizio di controllo davvicinamento per le parti dei voli controllati associati con arrivi o partenze, ovvero per i voli che, lasciata laerovia, si avvicinano allo scalo di destinazione (e viceversa), servizio di controllo daerodromo per il traffico daerodromo, ossia per le fasi di volo strettamente associate a decolli e atterraggi: in generale il servizio in questione subentra quando il pilota ha in vista la pista e la torre di controllo vede laereo, ma il momento di passaggio varia in funzione della situazione operativa contingente (analogamente ci si regola nei decolli). Ulteriore attivit dei servizi di Assistenza al Volo, relativamente recente, ma di importanza essenziale, lATFM (Air Traffic Flow Management o gestione dei flussi di traffico aereo). LATFM in Italia gestita dallENAV in stretto coordinamento con la Central Flow Management Unit di Eurocontrol. Essa non diretta ai voli in corso (funzione questa dei servizi di controllo ATC, informazioni volo, ecc.), ma a quelli programmati, e tende ad ottimizzare luso dello spazio aereo, alleggerendo il traffico nelle aree pi congestionate. In Italia i servizi di assistenza al volo sono prestati dallENAV S.p.A. (Ente Nazionale di Assistenza al Volo) o dalla Brigata Spazio Aereo (prima ITAV - Ispettorato Telecomunicazioni ed Assistenza al Volo presso lAeronautica Militare) a seconda che il traffico aereo da assistere sia rispettivamente di tipo GAT (General Air Traffic: Traffico Aereo Generale) o OAT (Operative Air37

Traffic: Traffico Aereo Operativo). Il GAT si svolge nel rispetto delle procedure formulate dallICAO e comprende la totalit dei voli civili e la parte di quelli militari che, non avendo una

finalit prettamente operativa o addestrativa, possono essere assoggettati alle procedure di controllo applicate ai voli GAT. LOAT invece, indirizzato allassolvimento delle esigenze di difesa del Paese, si svolge normalmente al di fuori degli spazi aerei interessati dal traffico generalee non soggetto ai regolamenti ICAO. Questi due tipi di traffico si differenziano nettamente per la modalit di esecuzione. Il Traffico Aereo Generale segue regole molto rigide, ha andamento regolare, mantiene separazioni standard tra velivolo e velivolo, condotto generalmente a quote e velocit costanti o in lenta variazione, dispone infine di notevoli riserve di carburante per eventuali lunghe attese in volo. Tutto ci fa si che il GAT sia largamente prevedibile e quindi controllabile con procedure relativamente semplici e ripetitive. Il Traffico Aereo militare Operativo, invece, ha caratteristiche diverse: esso risponde ad esigenze immediate e si avvale di velivoli che decollano e rientrano in sequenze serrate ed in ogni condizione di tempo. Per consentire che ci possa avvenire in armonia con il traffico aereo commerciale e nella pi completa sicurezza, lattivit quotidiana di carattere operativo viene coordinata preventivamente con le agenzie responsabili del controllo dello spazio aereo entro cui ha luogo il GAT.

2.3 Suddivisione e tipologie degli spazi aereiLo spazio aereo si suddivide in superiore ed inferiore a seconda che si trovi al di sopra o al di sotto di una determinata quota. Questultima stabilita da ogni Stato in funzione della propria orografia; in Italia la quota di separazione in corrispondenza del FL 195 (il Flight Level 195 pari a 19.500 piedi ovvero a 6.000 m circa). Le spazio aereo superiore (upper airspace) raggiunge generalmente il FL 660 ed indicato con la sigla UIR (Upper flight Information Region). Lo spazio aereo inferiore si estende da terra fino alla quota da cui inizia lo spazio aereo superiore. Dal punto di vista geografico lo spazio aereo mondiale suddiviso in otto Regioni di Navigazione Aerea; nellambito di ciascuna di esse e nello spazio aereo inferiore sono definite le Regioni dInformazione Volo (FIR, Flight Information Region) che tengono conto dei confini nazionali (Figura 23). LItalia appartiene alla Regione di Navigazione Aerea EUR ed suddivisa in tre FIR, denominate Milano, Roma e Brindisi in base alla rispettiva sede dellente ad esse preposto.

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Figura 23 - Suddivisione dello spazio aereo mondiale nelle 8 Regioni di Navigazione Aerea.

Da notare che le FIR denotano uno spazio aereo ove gli aerei sono liberi di volare fruendo del Servizio Informazioni Volo e del Servizio di Allarme. Allinterno di una FIR vi sono tuttavia spazi aerei che, pur essendo localizzati in una Regione di Informazione Volo, sono soggetti al servizio di controllo del traffico aereo: ci si riferisce alle regioni di controllo ed alle zone di controllo qui di seguito specificate (Figura 24).

Figura 24 - Organizzazione dello spazio aereo

Lorganizzazione dello spazio aereo diviso in Zone di Controllo e Regioni di Controllo: le Zone di Controllo sono rappresentate dai piccoli cilindri aperti o chiusi in corrispondenza degli aeroporti, sviluppati verso le traiettorie di avvicinamento agli scali stessi; le Regioni di Controllo sono rappresentate dalle aerovie e dalla regione terminale in cui esse confluiscono (il grande cilindro circolare centrale).Come s pu notare le Zone partono dalla superficie terrestre e non superano una determinata quota, le Aree partono da una certa quota e si sviluppano verso lalto. Le traiettorie degli aerei, rappresentate con tratto e punto, si sviluppano a quote diverse allinterno delle aerovie.

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1.

Le regioni di controllo (Control Areas) consistono in spazi che si estendono verso lalto a partire da una specificata altitudine. Ne fanno parte le aerovie (airways o AWY) e le regioni terminali di controllo (terminal control area o T-MA). Le aerovie sono spazi compresi fra due piani verticali paralleli, distanti fra loro di solito da 10 a 20 miglia nautiche (NM): la loro larghezza dipende dalla precisione dei sistemi di radionavigazione (ad esempio dalla distanza fra le radioassistenze). Esse sono rappresentate in pianta da corridoi che percorrono il territorio nazionale andando da una radioassistenza ad unaltra e danno luogo a spezzate lungo le quali si muovono gli aerei: i piloti captano i segnali provenienti dalle stazioni a terra e determinano la direzione verso la quale devono procedere, localizzando inoltre la propria posizione nellambito del territorio. Le regioni terminali di controllo sono istituite normalmente alla confluenza di pi aerovie in prossimit di aeroporti importanti.

2.

Le zone di controllo (Control Zones) consistono in spazi che si estendono dalla superficie terrestre verso lalto fino ad una specificata altitudine; essi sono ubicati in corrispondenza degli aeroporti e contengono i sentieri di partenza e di avvicinamento finale dei voli strumentali. Le zone di controllo presentano uno sviluppo orizzontale quantficabile in 20-30 NM e si estendono nella direzione in cui avvengono avvicinamenti e decolli (la forma di esse pu cambiare in funzione della posizione dei circuiti di attesa).

Figura 25 - Schematizzazione delle traiettorie seguite dagli aeromobili

Esaminiamo ora la logica con cui si sono venute a sviluppare le tipologie di spazio aereo sopra descritte. Quando laviazione commerciale inizi a servirsi degli aerei a reazione, nacque lesigenza di individuare uno spazio aereo dedicato a tali operatori: si defin allora lupper airspace. Nelle sottostanti FIR si determin ben presto lesigenza di proteggere alcuni spazi, imponendo in40

essi unassistenza al volo che non s limitasse ai soli servizi informativi e di allarme. In corrispondenza degli aeroporti, ove il numero dei voli divenne consistente, fu, necessario creare una Torre di Controllo ed un servizio di controllo di aerodromo responsabile di un ampio spazio nei dintorni di tali scali. Quando lulteriore sviluppo del traffico lo rese necessario, si stabilirono le regole di volo strumentale (IFR Instrumental Flight Rules) ponendo delle restrizioni ai voli che continuavano ad operare conformemente alle regole dei voli a vista (VFR Visual Flight Rules). Per proteggere il flusso degli aerei che in IFR decollavano, atterravano, o attendevano il proprio turno negli appositi circuiti, fu stabilito uno spazio aereo controllato, di solito nella forma di una zona di controllo. Laddove il traffico crebbe ulteriormente fu necessario realizzare nuovi aeroporti e stabilire intorno ad essi un ulteriore spazio aereo controllato che prese il nome di terminal area, mentre le direttrici di traffico pi frequentate furono protette istituendo le aerovie.

2.4 La separazione fra gli aeromobiliEssenziale per la sicurezza del volo la separazione fra gli aerei che si muovono nello spazio. Nella navigazione VFR il pilota, mantenendo le quote appropriate, responsabile del mantenimento della separazione dovuta nei confronti degli altri aerei o degli ostacoli. Nella navigazione in IFR, invece, lente preposto al controllo del traffico aereo ha la responsabilit di assicurare la sufficiente separazione con gli altri velivoli: obiettivo principale dei servizi del traffico aereo, come gi accennato, , infatti, la prevenzione delle collisioni fra aeromobili in volo o fra aeromobili e ostacoli (assicurando un efficiente flusso del traffico aereo). La separazione verticale si ottiene stabilendo dei FL (livelli di volo 3), quote a cui ogni aeromobile pu operare: fino al FL 290 (29000 ft, pari a circa 8850 m di quota) fra un livello e laltro vi sono 1000 ft o 300 m di distanza; dal FL 290 al FL 350 la separazione verticale si raddoppia passando a 2000 ft a causa della minore accuratezza nella determinazione della pressione (e quindi della quota) da parte degli altimetri barometrici con laumentare dellaltitudine. E prevista una riduzione della separazione (da 600 a 300 m) fra il FL 290 e il FL 410 a seguito delle risultanze emerse dai dati raccolti da Eurocontrol, dagli USA e dal Giappone, elaborati mediante il modello rischio di collisione/obiettivo livello di sicurezza e basati su un fattore di sicurezza pari a 5 x 10-9 incidenti fatali per ora di volo. Ci comporterebbe lintroduzione di 6 ulteriori livelli di crociera per gli aerei jet, a tutto vantaggio della capacit dello spazio aereo. La Figura 26 illustra lentit delle separazioni verticali nel caso di aeromobili in volo IFR. Per gli aeromobili che volano in condizioni VFR, vale lo stesso schema, traslato per di 500 ft verso lalto.

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I livelli di volo sono espressi in centinaia di piedi: FL 10 corrisponde ad esempio alla quota di 1000 piedi, ossia 300 m. 41

Figura 26 - Separazioni verticali i livelli di volo

Nella figure 4 e 5 sono esemplificati i criteri con cui tali FL sono utilizzati da parte di aerei in volo VFR e IFR e che si muovono in opposte direzioni. Come si pu notare nella figura in questione, a seconda che la direzione della rotta seguita sia compresa in un semicerchio magnetico o in un altro i livelli da mantenere variano; sono inoltre ridotte le possibilit di interferenza fra voli VFR ed IFR in quanto essi si troveranno automaticamente ad operare a quote differenti. La minima altitudine di crociera in VFR 1050 m; in base allannesso 2 dellICAO questa tipologia di volo deve inoltre mantenersi sopra i 300 m rispetto allostacolo pi alto ubicato in un raggio di 600 m intorno allaeromobile (in zone disabitate o sullacqua sufficiente altezza minima di 150 m). Per i voli IFR, la minima altitudine di crociera 300 m ed il franco minimo dagli ostacoli su centri urbani o zone montane 600 m in un raggio di 8 Km intorno allaeromobile (300 m in zone disabitate).

Figura 27 - Schema di utilizzazione dei livelli di crociera

Nel pianificare la necessaria separazione orizzontale, lEnte preposto tiene conto di molti fattori, fra i quali i pi importanti sono:

gli errori degli apparati a terra e a bordo (funzioni del sistema di navigazione utilizzato), gli errori di valutazione di posizione, i margini di tolleranza operativi ammessi (cio entit delle deviazioni consentite senza necessit che esse vengano notificate allATC);

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i ritardi nelle comunicazioni di posizione da parte dei piloti allente ATC (bisogna tenere conto anche della congestione delle frequenze utilizzate e quindi delle probabili attese per le comunicazioni), gli errori connessi alla stima degli orari ed alla loro registrazione, i fattori umani (compresi i tempi di reazione).

Nellambito della separazione orizzontale si distingue la separazione laterale, espressa in distanza, da quella longitudinale, esprimibile in tempo o distanza in base allaccuratezza delle informazioni sulla posizione degli aerei (una pi precisa localizzazione permette di riferirsi alla distanza). Sia la separazione laterale che quella longitudinale tendono a garantire una definita area di protezione che pu variare in funzione di molti fattori, fra i quali, il tipo di radioassistenza utilizzata, linclinazione reciproca delle traiettorie, il verso di percorrenza lungo le rotte stesse.

2.5 Le Organizzazioni Internazionali: lICAO e la IATALICAO (International Civil Aviation Organization) stata istituita nel corso della Convenzione di Chicago del 1944, ma divenne operativa definitivamente nel 1947. Gli scopi principali dellICAO sono:

assicurare lo sviluppo ordinato e sicuro dellaviazione civile internazionale in ogni parte del mondo; incoraggiare per fini pacifici le tecniche di costruzione e di uso degli aerei; incoraggiare lo sviluppo delle rotte aeree, di aeroporti e di aiuti alla navigazione aerea; soddisfare le esigenze dei popoli del mondo per un trasporto aereo sicuro, regolare, efficiente ed economico; evitare un inutile dispendio di mezzi economici a causa di una irragionevole concorrenza; assicurare che i diritti degli Stati contraenti siano integralmente rispettati e che ogni Stato contraente abbia eguale possibilit di esercitare servizi aerei internazionali; evitare ogni discriminazione tra Stati contraenti; migliorare la sicurezza del volo nella navigazione aerea internazionale; favorire in generale ed in ogni aspetto, lo sviluppo dellaeronautica civile internazionale.

La Convenzione di Chicago adott 15 allegati tecnici chiamati anche Annessi. Tali documenti contengono la regolamentazione tecnico giuridica dellICAO e sono finalizzati ad uniformare norme e procedure al fine di assicurare uno sviluppo ordinato e sicuro dellaviazione civile internazionale. Attualmente sono stati adottati 18 annessi. E precisamente:

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ANNESSO 1 ANNESSO 2 ANNESSO 3 ANNESSO 4 ANNESSO 5 ANNESSO 6 ANNESSO 7 ANNESSO 8 ANNESSO 9 ANNESSO 10 ANNESSO 11 ANNESSO 12 ANNESSO 13 ANNESSO 14 ANNESSO 15 ANNESSO 16 ANNESSO 17 ANNESSO 18

Tabella 5 - Annessi ICAO Licenze del personale (Personnel Licensing) Regole dellAria (Rules of the Air) Meteorologia (Meteorology). Riporta i codici, i servizi ed i mezzi di comunicazione per il servizio della Meteorologia aeronautica. Carte Aeronautiche (Aeronautical Charts). Contiene le norme per la produzione di tutti i tipi di carta ad uso dellaviazione civile internazionale. Unit di misura (Dimensional Units). Riguarda le unit di misura da utilizzarsi nelle comunicazioni terra/bordo/ terra. Esercizio degli aeromobili (Operations of Aircraft). Stabilisce la strumentazione e lequipaggiamento degli aeromobili, le procedure di volo, le norme di manutenzione ed i registri di bordo. Marche nazionalit e immatricolazione (Aircraft Nationality and Registration Marks). Navigabilit (Airworthiness). Contiene i requisiti per il rilascio dei certificati di navigabilit e per la loro ispezione. Facilitazioni (Facilitation). Riporta le norme per lentrata e luscita degli aeromobili dal territorio di Stati esteri, servizi di dogana, servizi sanitari, ecc. Telecomunicazioni aeronautiche (Aeronautical Telecommunications). Servizio traffico aereo (Air Traffic Services). Ricerca e salvataggio (Search and Rescue). Inchieste sugli incidenti (Aircraft Accident Inquiry). Aeroporti (Aerodromes). Contiene norme e raccomandazioni sulle caratteristiche degli aeroporti e sulle segnalazioni al suolo. Servizi di informazione aeronautica (Aeronautical Information Services). Rumori degli aerei (Aircraft Noise). Misure di sicurezza (Security Measure). Contiene norme e raccomandazioni per atti illeciti compiuti a bordo degli aeromobili Misure di sicurezza per il trasporto aereo di merci pericolose (The Safe Transport of Dangerous Goods by Air). Contiene norme e raccomandazioni per il trasporto aereo internazionale delle seguenti classi di merci: esplosivi, gas, liquidi infiammabili, solidi infiammabili, sostanze ossidanti, sostanze velenose ed infettanti, materiali radioattivi, corrosivi, merci pericolose in genere

La IATA (International Air Transport Association) un ente privato con una strutturazione su base mondiale che svolge unimportante funzione nella disciplina tecnica, giuridica, economica ed amministrativa dei trasporti aerei. Nella sua organizzazione ed attivit sempre in stretta collaborazione con lICAO. Si occupa in particolare di problemi generali del traffico aereo il biglietto tipo, la collaborazione fra le compagnie nei vari scali, le provvigioni degli agenti per la vendita, le condizioni generali di trasporto, gli orari, le lettere di vettura, la propaganda, etc. Disciplina le tariffe aeree internazionali che sono poi sottoposte ad approvazione. Sono membri della IATA le maggiori compagnie di trasporti aerei internazionali. La compagnia aerea, per essere membro dellassociazione, deve offrire un regolare servizio di linea che colleghi almeno due Stati. invece associata se effettua soltanto voli nazionali.

2.6 La deregulation nel settore aereo: gli Stati UnitiDa qualche anno, nel sistema del trasporto aereo in atto la deregulation, dapprima adottata negli USA e, in seguito, in Europa, sotto la forma pi leggera di progressiva liberalizzazione. Tale situazione ha sicuramente prodotto migliori condizioni nella gestione dellofferta, poich si44

consente alle compagnie aeree una maggiore elasticit nelladattare la propria offerta alla domanda di trasporto, e inoltre ha creato un livello competitivo rispetto ad altre aziende tale da permettere la ricerca di un equilibrio qualit-prezzo. La regolamentazione del settore, negli USA, inizi nel 1938, quando fu promulgato il Civil Aeronautics Act (C.A.A.) con il quale si diede vita ad una nuova agenzia indipendente, la Civil Aeronautics Authority, riorganizzata nel 1940 col nome di Civil Aeronautics Board (C.A.B.). Il compito assegnatogli fu quello di applicare le disposizioni del CAA e di regolamentare e controllare lo sviluppo del settore del trasporto aereo statunitense. Listituzione del CAA doveva in qualche modo permettere allindustria aeronautica di garantire sia la stabilit nel settore sia la capacit di attrarre nuovi investitori al fine di dare avvio ad operazioni di volo. La politica condotta dal CAB sub rilevanti modifiche negli anni 70 quando, a causa dellelevato aumento dei costi del combustibile e del lavoro, il CAB stesso si trov costretto ad aumentare le tariffe. Lavere adottato simili posizioni determin un danno per i passeggeri, al punto che la politica del CAB dovette subire un mutamento radicale. Si afferm, cos, la presenza di nuovi operatori nel settore e la possibilit di fruire di rotte gi servite pur mancando il vincolo del pubblico interesse, ed infine si permise alle compagnie aeree di poter apportare sconti sulle tariffe.

Nel 1978 il Governo americano eman lAirlines Deregulation Act, lasciando indietro la rigida regolamentazione che non avrebbe mai permesso laffermarsi di un mercato di libera concorrenza. Con lavvento dellAirlines Deregulation Act fu data alle compagnie la facolt di scegliere autonomamente il proprio piano tariffario. In questo contesto, il CAB non avrebbe potuto pi agire come mediatore tra i diversi vettori al sorgere di controversie. Da qui avrebbe preso vita la cosiddetta fares war (guerra dei prezzi) che dette subito i suoi frutti, in quanto le aerolinee che dapprima operavano su destinazioni regionali ampliarono il proprio raggio dazione su scala nazionale ed inoltre si registr un incremento nel numero delle compagnie operanti sul mercato. Tra il 1984 e il 1986, si realizzarono progetti di fusione e acquisizione tra le compagnie al fine di ridurre al minimo il numero dei fallimenti.

2.7 Il sistema HUB & SPOKELavvento della deregulation nel settore del trasporto aereo statunitense apport una serie di modifiche strutturali allambiente competitivo con la riduzione delle barriere allentrata e alluscita. Inoltre, le risorse impiegate dalle aerolinee, furono trasferite su rotte con ampi margini di profitto. Il risultato di un simile atteggiamento fu proprio la cancellazione di molte tratte secondarie, la riduzione dei collegamenti non stop e lo sviluppo di grandi sistemi hub & spoke.

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Le compagnie statunitensi si trovarono cos nelle condizioni di dover operare secondo i criteri di un mercato di concorrenza. Prima del 1978, la sostenibilit economica dipendeva dalla possibilit di sommare il traffico nascente dalla citt di partenza ad un flusso di passeggeri aggiuntivo originante da mercati vicini o comunque collegati ai poli della rotta (mercati di appoggio). Il CAB avrebbe assicurato alle compagnie i diritti per collegare nuove citt lungo le rotte assegnate, cos da ottenere un load factor ottimale. I suddetti mercati dappoggio, chiamati back-up market, supportati dalla protezione derivante dal controllo delle concessioni da parte del CAB, potevano considerarsi stabili in termini di domanda aggiuntiva per le aerolinee con una concorrenza solo virtuale da parte di altri vettori. In altre parole, una citt serviva come back-up per uno specifico segmento di rotta, ed altre citt avrebbero, a loro volta, costituito nuovi back-up per altre fasi del percorso. Questa struttura lineare venne messa in crisi con lavvento della deregulation, proprio grazie allagire della concorrenza. Lo scenario mut a tal punto che, le rotte pi profittevoli e ad alta domanda iniziarono ad essere servite da altri operatori, oltre che da quelli gi detentori. Quindi per poter competere in un contesto cos trasformato era necessario modificare lapproccio dellofferta di servizio. Il riuscire a definire un nuovo modello dellofferta divenne elemento prioritario per poter far s che venisse garantita la sopravvivenza dei maggiori vettori aerei del Paese. Il risultato dellanalisi condotta fu quella di ridisegnare i network delle rotte, prendendo come modelli i sistemi di hub & spoke. Il sistema di gestione del traffico aereo verso gli anni 60 era caratterizzato da collegamenti point to point, (origine-destinazione). In seguito tale sistema, dal punto di vista delle strategie di tipo hub & spoke, mut la sua disposizione. Infatti, laerolinea avrebbe convogliato su un aeroporto principale (hub) tutte le rott