In quest’articolo focalizzeremo l’attenzione su una specifica tipologia di impianti a fune: le funivie. Si tratta di impianti in grado di trasportare il maggior numero di passeggeri in una sola cabina per ogni senso di marcia. Vedremo gli interessanti aspetti ingegneristici che sono alla base della progettazione e dell’analisi statica e dinamica di questi sistemi di trasporto.
Evoluzione Storica e Classificazione degli Impianti a Fune
Il settore degli impianti a fune ha compiuto passi da gigante nell’ultimo secolo grazie ad una forte evoluzione tecnologica e strutturale. Il primo impianto a fune in Italia è stato realizzato sull’arco alpino e risale al 1935. Si tratta del cosiddetto slittone Graffer del monte Bondone, situato nella parte occidentale del Trentino. Il settore degli impianti a fune ha attraversato una continua evoluzione dal 1935 ad oggi. Prima di addentrarci nei dettagli tecnici della realizzazione e progettazione, vediamo come si classificano gli impianti a fune.
Impianti a Moto Continuo
Gli impianti a moto continuo sono caratterizzati da una movimentazione dei carichi lungo una via di corsa ad anello chiuso, in maniera continua e sempre nella stessa direzione di marcia.
Funivie: Caratteristiche Costruttive
Le funivie sono solitamente costituite da due veicoli che percorrono la linea di corsa in verso opposto su due distinte funi portanti: mentre una cabina sale, partendo dalla stazione di valle, l’altra cabina scende da monte. Entrambe le cabine sono collegate al medesimo cavo trainante che avrà una configurazione ad anello chiuso fra la stazione di valle e di monte.
Ruolo delle Funi Portanti
Le funi portanti hanno la funzione di sorreggere il peso del veicolo e di costituire la via di corsa sulla quale il veicolo scorre per mezzo di un carrello. Le funi portanti sono funi metalliche chiuse, composte da un’anima spiroidale e da uno o più strati esterni di fili metallici sagomati a Z con lo scopo di rendere la superficie esterna omogenea e compatta, ostacolando l’infiltrazione di umidità e proteggendo i manti interni dalla corrosione.
Le funi portanti hanno pesi considerevoli. Considerando un diametro di 54 mm per una fune portante, il peso a metro lineare della fune sarà di circa 16 kg/m.
Concetti Ingegneristici Fondamentali nella Progettazione
Nel seguito dell’articolo sono stati selezionati tre concetti ingegneristici, relativi agli impianti a fune, più affini al settore delle costruzioni, dunque di maggiore interesse per i professionisti che si occupano di progettazione e calcolo strutturale.
La Funicolare
La “funicolare” rappresenta il profilo ideale che una fune sospesa, con le estremità collegate a due punti fissi, assumerebbe sotto l’azione di un determinato sistema di forze.
- Peso proprio del cavo: si tratta di un carico uniformemente distribuito lungo l’asse del cavo.
- Peso proprio della cabina: si tratta di un carico verticale concentrato e di posizione variabile, man mano che la cabina avanza.
Nell’ipotesi di un cavo portante privo di massa, la funicolare dei carichi avrebbe una configurazione lineare.
Gestione delle Dilatazioni Termiche
I cavi portanti e le funi di trazione delle funivie sono soggetti a forti escursioni termiche. Per far fronte a dilatazioni lineari così pronunciate, le stazioni di partenza e di arrivo sono dotate di sistemi di contrappeso o tensionamento che hanno lo scopo di mantenere costante la tensione nei cavi portanti e nelle funi traenti.
Il Fenomeno della Risonanza
Particolare attenzione va posta al fenomeno della risonanza. La risonanza è un fenomeno in cui un sistema vibra con un’ampiezza crescente quando è eccitato con una frequenza prossima alla sua frequenza naturale. È un concetto ben noto nell’analisi sismica delle strutture, in particolare nello studio di un sistema massa-molla-smorzatore.
- Cavi portanti e traenti: il vento o le oscillazioni periodiche (ad esempio, dovute al passaggio delle cabine) possono indurre vibrazioni. Il vento può generare forze dinamiche complesse, quali ad esempio il flutter aerodinamico, lo stesso fenomeno che ha causato il crollo del Ponte di Tacoma nell’anno 1940.
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Normativa Tecnica e Applicazioni Civili
In Italia la Normativa Tecnica che regola la progettazione e realizzazione degli impianti a fune è il Decreto Ministeriale 172 del 18 giugno 2021. Questo documento integra le norme europee con le norme nazionali vigenti. Tale documento normativo definisce tutti gli aspetti tecnici di questa tipologia di impianti: dal tracciato della fune alla definizione della tensione limite e della freccia nella fune. Definisce il campo di applicazione delle norme per le opere civili funiviarie, inclusi fondazioni e strutture delle stazioni di partenza e arrivo.
Il Potenziale delle Funivie nel Trasporto Pubblico Urbano
La progettazione di impianti a fune rappresenta un settore di nicchia nel campo della progettazione ingegneristica. Anche se nella tua professione ti occupi prevalentemente di progettazione e calcolo di edifici ordinari, spero tu abbia trovato interessante il contenuto di quest’articolo.
L’implementazione diretta delle tecnologie funiviarie al settore del trasporto pubblico sta trovando sempre più spazio. Basti pensare all’espansione dei consorzi sciistici che si è avuta a partire dagli anni ’90 o ad impianti simbolo come la cabinovia urbana di Lisbona o quella di Bogotà. In presenza di configurazioni topografiche specifiche, come appunto in presenza di grandi dislivelli, la necessità di superare corsi d’acqua, o semplicemente la mancanza di spazio che ormai è il problema principale delle grandi metropoli, le tecnologie di trasporto pubblico non convenzionali hanno trovato e troveranno sempre più spazio.
La tecnologia funiviaria ART (Aerial Ropeway Transit), modalità di trasporto aereo in cui i passeggeri viaggiano in cabine sospese, è un esempio popolare di applicazione delle tecnologie funiviarie al settore del trasporto passeggeri. La ART è una tecnologia di trasporto aereo in cui cabine prive di motore, sospese su e trainate da cavi aerei, sono utilizzate come vettore alternativo per il trasporto di massa in ambiente urbano.
Di impianti per il trasporto funiviario ve ne sono migliaia in funzione in tutto il mondo già da diversi decenni. Tuttavia, la maggior parte di questi sono stati costruiti per scopi ricreativi nelle stazioni sciistiche e nelle aree di attrazione turistica per trasportare sciatori e turisti in luoghi altrimenti inaccessibili. Solamente nell’ultimo decennio si è osservata una transizione che ha portato allo sfruttamento di questa tecnologia anche in ambiente urbano, soprattutto in situazioni in cui i vettori convenzionali di trasporto pubblico non erano una soluzione praticabile a causa di barriere geografiche e topografiche.
Basti pensare che l’85% del PIL mondiale (2015) è generato in ambiente urbano e che con il tasso attuale (1.5 milioni di persone all’anno) di migrazione da ambienti rurali ad ambienti urbani, nel 2050 il 68% dell’intera popolazione vivrà in città. La letteratura scientifica su questa tematica è relativamente scarsa. Neumann, nel lontano 1992 è stato il primo a condurre ricerche sistematiche ed ha fornito una rappresentazione dettagliata sulle prestazioni, i costi ed il potenziale applicativo di alcune tecnologie funiviarie. 7 anni dopo, sempre Neumann ha redatto una relazione approfondita sulla storia dei trasporti a fune dal 1800 agli anni ’90. Vuchic nel 2007 ha brevemente discusso le diverse tecnologie non convenzionali di trasporto, tra cui i sistemi funiviari e la loro applicazione come modalità di trasporto di massa in condizioni specifiche in molte aree del mondo. Recentemente, Alshalalfah e Shalaby (2011) e Alshalalfah et al.
Capacità di Trasporto e Impatto Ambientale
In estrema sintesi, un singolo impianto funiviario è oggi capace di sostituire, in termini di capacità di trasporto l’equivalente di 100 autobus o 2000 auto private. Questo ovviamente ha un impatto diretto sia sul consumo di spazio che sull’impatto ambientale.
Componenti Fondamentali dei Sistemi ART
Quasi tutti i sistemi ART si basano sugli stessi componenti fondamentali: veicoli, azionamenti, terminali, sostegni e funi.
- Veicolo: definito come il sistema su cui vengono trasportati i passeggeri. Il vettore non include solamente le cabine passeggeri ma anche il carrello e la morsa che lega le cabine passeggeri alla fune.
- Azionamenti (motori): a differenza delle modalità di trasporto convenzionali, nella ART i veicoli (cioè le cabine) non hanno un motore proprio. La propulsione è fornita da un motore fuori bordo che muove la fune (traente o portante-traente).
- Terminali (stazioni): tutte le linee ART hanno almeno due terminali.
- Funi: La fune è il cuore di qualsiasi impianto aereo.
- Strutture di rimessaggio: le strutture di rimessaggio e parcheggio sono situate sulla piattaforma di un terminale.
Sistemi MGD (Monocable Gondolas Detachable)
Le cabine passeggeri nei sistemi MGD (Monocable Gondolas Detachable) sono sospese su una fune ad anello che funge sia da portante che da traente grazie ad una morsa che ne permette, una volta che la cabina raggiunge la stazione, il distacco. Nel terminale di tipo MGD, una volta che la cabina è staccata dalla fune, si ha un sistema di movimentazione della stessa (0.15 - 0.20 m/s) tale da consentire l’imbarco e lo sbarco in sicurezza dei passeggeri. La cabina viene poi accelerata fino alla velocità della fune permettendone il ri-ammorsamento sulla fune. La capacità tipica delle cabine dei sistemi MGD varia tra 4 e 15 persone per cabina e capacità del sistema può raggiungere le 3.600 (4.500) persone all’ora per direzione (Dwyer 1975). Le più recenti installazioni urbane di ART sono proprio sistemi MGD.
Sistemi BGD/TGD (Bi-/Tricable Detachable Gondola)
La differenza tra un sistema BGD/TGD (Bi-/Tricable Detachable Gondola) e un sistema MGD è l’utilizzo di funi separate per la trazione e la portanza. Nei sistemi BGD una fune statica viene utilizzata come fune di supporto (fune portante) ed un’altra ad anello (azionato dalla puleggia di rinvio nel terminale) viene utilizzata per la trazione (fune traente). Questa configurazione (cioè avere una o due funi aggiuntive dedicata alle sospensioni solo in aggiunta alla fune di trasporto) consente al sistema di avere campate più lunghe rispetto ai sistemi MGD, e quindi consente di superare ostacoli maggiori. Analogamente ai sistemi MGD, i sistemi BGD e TGD hanno cabine più grandi uniformemente distribuite lungo la linea. Le capacità di una singola cabina simili a quelle dei sistemi MGD, con capacità che variano tra 16 e 35 persone per cabina.
Sistemi ATW (Aerial Tramway)
Nei sistemi ATW (Aerial Tramway) le due cabine passeggeri si trovano alle estremità opposte dell’anello composto dalla fune traente; mentre una cabina si muove in una direzione, l’altra si muove nell’altra direzione. Ogni cabina viaggia sempre sulle stesse funi portanti invertendo la propria direzione di marcia da un viaggio all’altro. La maggior parte delle linee ATW ha solitamente cabine ad alta capienza che possono trasportare anche oltre 200 passeggeri, anche se alcuni sistemi utilizzano cabine di piccola capienza che possono trasportare solo sei persone. Uno dei maggiori vantaggi delle tramvie aeree è l’elevata velocità di linea di questi sistemi, dove velocità fino a oltre 43 km/h. Una variante ai sistemi ATW classici sono le cosiddette FUNIFOR.
Conclusioni sul Potenziale delle Funivie Urbane
L’aumento delle popolazioni nelle aree urbane ed il congestionamento delle città sta facendo emergere la necessità di modelli di trasporto alternativi. Le soluzioni ART sono utilizzate da anni soprattutto nel settore turistico ma sembrano avere un enorme potenziale anche per quanto riguarda la mobilità urbana.