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: la movimentazione dei carichi avviene lungo una via di corsa ad anello chiuso, in maniera continua e sempre nella stessa direzione di marcia.
Componenti Fondamentali delle Funivie
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.
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.
Funi Traenti
Le funi traenti, pur non essendo esplicitamente descritte nel dettaglio delle loro caratteristiche costruttive, sono essenziali per il movimento delle cabine o seggiole lungo le funi portanti. Sono collegate alle vetture e mosse dal sistema di azionamento della stazione.
Concetti di Ingegneria Strutturale Applicati agli Impianti a Fune
Nel seguito dell’articolo ho selezionato 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. In un impianto a fune, i carichi considerati per definire la funicolare includono:
- 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.
Dilatazione Termica e Sistemi di Tensionamento
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.
Fenomeno della Risonanza e Vibrazioni
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.
I cavi portanti e traenti possono essere soggetti a vibrazioni indotte da:
- 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.
- Oscillazioni periodiche: ad esempio, dovute al passaggio delle cabine.
L'esperimento sulla risonanza - La fisica dell'amore 07/11/2024
Normativa Tecnica e Progettazione
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.
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.
Sistema di Aggancio Automatico per Seggiovie
La stazione d'arrivo di una seggiovia ad agganciamento automatico è un esempio di innovazione nel settore. Il sistema permette lo sganciamento dalla fune traente all'ingresso in stazione dei veicoli (seggiole, cabine ecc.) che vengono così convogliati su un circuito separato, solitamente un binario, dove vengono rallentati ed eventualmente fermati. In tale maniera vengono notevolmente facilitate la salita e la discesa dei viaggiatori o delle merci.
Nel caso delle seggiovie, alla stazione di partenza viene inoltre frequentemente posto un tappeto mobile tramite il quale i passeggeri vengono portati nel punto esatto ove effettuare la salita sull'impianto, velocizzando ulteriormente l'operazione. Risulta inoltre possibile inserire in linea un numero variabile di vetture, a seconda delle richieste di capacità periodica o momentanea.
Inoltre a fine giornata i veicoli possono essere rimossi facilmente dal percorso e immessi in un deposito, cosa impossibile nel caso di morse fisse poiché sarebbe necessaria una lunga operazione manuale per staccare tutte le vetture dal cavo. Ciò permette di preservare più a lungo i veicoli ed evitare potenziali problemi in caso di vento o di precipitazioni, dato che rimane esposta solo la fune senza alcun carico.
Vantaggi delle Seggiovie ad Agganciamento Automatico
I vantaggi sono evidenti: oltre ad agevolare i movimenti degli utenti viene abbreviata la durata della corsa. In genere la velocità in linea può arrivare a 6-7 metri al secondo, quindi di poco inferiore a quella di una funivia.
In Italia il Decreto Dirigenziale MIT n.172 del 18/06/2021 fissa in 6 m/s la velocità massima per le cabinovie ed in 5 m/s quella per le seggiovie ad ammorsamento automatico (ridotta rispettivamente a 0,5 m/s e a 1,3 m/s in stazione), mentre le seggiovie a morse fisse non possono superare i 2,5 m/s.
Accanto all'ammorsamento automatico si sono inoltre sviluppati sistemi automatici di controllo e comando degli impianti che aumentano la sicurezza e l'individuazione degli inconvenienti.
Funzionamento delle Morse Automatiche
Le morse automatiche consentono ai veicoli di cabinovie e seggiovie dette appunto “ad ammorsamento automatico” di svincolarsi dalla fune durante il percorso nelle stazioni, dove vengono trascinati lentamente da convogliatori a catena o pneumatici; al termine del percorso la morsa si chiude nuovamente sulla fune.
Il funzionamento di tutte le morse per funivie avviene esclusivamente sfruttando la forza delle molle o di barre di torsione, senza alimentazione elettrica o idraulica; la forza di chiusura viene monitorata ad ogni giro per identificare in tempo eventuali problemi di serraggio che possano inficiare la tenuta. Apposite sagome controllano l’avvenuta chiusura prima che il veicolo lasci la stazione.
Gli impianti ad ammorsamento automatico sono caratterizzati dalla possibilità di ammorsare i veicoli dalla fune nelle stazioni. Ciò consente una velocità di linea maggiore durante il viaggio e una minore nelle stazioni, a tutto vantaggio dei passeggeri, che possono viaggiare più velocemente, ma anche approfittare di un maggior comfort di imbarco e sbarco. Oltre all’aumento del comfort, questi impianti vantano una maggiore portata.
Le seggiovie automatiche rappresentano il più amato, comodo, e veloce sistema di trasporto per gli appassionati di sport invernali. Speciali cupole possono essere abbassate in qualsiasi momento durante il viaggio per proteggersi contro gli agenti atmosferici. È possibile scegliere cupole colorate, che regalano una piacevole visuale anche in condizioni climatiche non favorevoli.
Stazioni di Impianto e Sistemi di Azionamento
Per la realizzazione di un impianto a fune sono necessarie almeno due stazioni, una situata al punto di partenza e l'altra al punto di arrivo. Considerando gli aspetti tecnici, generalmente il motore, i freni di servizio e il pulpito di manovra non si trovano all'interno dei veicoli, ma vengono montati direttamente nell’edificio di stazione.
Ogni stazione si può dire un prodotto unico, che viene adeguato alle peculiari condizioni dell'impianto e alle caratteristiche dell'area in cui é inserita. A seconda delle esigenze specifiche del progetto, l'azionamento può essere montato sia a valle che a monte, in configurazione interrata o sospesa, nelle varianti con motrice fissa o motrice tenditrice.
Azionamento Diretto
L'azionamento diretto è una tecnologia esclusiva di LEITNER, e rappresenta l'unico argano per impianti a fune senza riduttore di velocità. Il suo albero di uscita è collegato direttamente alla puleggia.
Rulliere e Funi
Le rulliere hanno la funzione di guidare la fune traente lungo la linea. Sono composte da una serie di rulli, la cui quantità dipende dal carico che la fune deve sopportare. Gli impianti a fune devono il loro nome proprio alla fune. Le funi sono fatte di trefoli intrecciati intorno all'anima. Vengono costruite da aziende specializzate, che provvedono anche al loro montaggio.
Sistema di Azionamento Elettrico e Elettronica di Potenza
L'azionamento elettrico monitora la sicurezza dell'impianto e dei suoi passeggeri. La perfetta interazione tra motore, inverter e meccanica di un impianto è fondamentale per garantire un elevato comfort di viaggio. L'elettronica di potenza provvede ad assicurare un movimento regolare e affidabile della fune in tutte le condizioni di funzionamento e di carico. Tramite l'elettronica di potenza è possibile controllare velocità e comportamento dell'impianto quando si avvia e quando si ferma. Le potenze ottenibili vanno da alcuni kW fino ai grossi azionamenti da 2-4 MW.
Tipi di Morse: Fisse e Automatiche
Ci sono due tipi di morsa che possono essere perfettamente adattati ai bisogni specifici dei vari impianti: la morsa fissa e quella automatica.
Morse ad Ammorsamento Automatico
Le morse ad ammorsamento automatico dispongono di un solo componente mobile, la ganascia, la quale svolge contemporaneamente anche la funzione di leva apertura. L'apertura e la chiusura della morsa avvengono in maniera diretta senza l'interposizione di camme, articolazioni o leverismi.
Morse Fisse
Le morse fisse vengono utilizzate da moltissimo tempo e sono rinomate per la loro sicurezza e affidabilità.