Binario (ferrovia)
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Il binario è una struttura composta da profilati metallici in acciaio (rotaie) simili ad una trave "a doppia T": la struttura è utilizzata nella la costruzione di linee ferroviarie.
Le rotaie sono fissate parallelamente sulle traverse, tramite dei bulloni o degli attacchi speciali; le traversine (in legno o cemento) sono annegate nella massicciata o ballast, una struttura a sezione trapezoidale di altezza massima di circa 50 cm, composta da pietrisco selezionato all'uopo, di dimensione in ogni direzione compresa tra i 25 e 60 mm per le linee ferroviarie e tra i 15 e 30 mm per le linee tranviarie o leggere. Lo scopo della massicciata e' quello di ripartire uniformemente i carichi di esercizio dovuti al passaggio del treni sulla fondazione stradale in maniera tale da ridurre i cedimenti strutturali e di garantire, attraverso l'attrito tra i ciottoli, la perfetta circolabilità del binario. Il fatto che il pietrisco non sia vincolato, ma solo appoggiato, garantisce anche il drenaggio dell'acqua piovana.
Il complesso delle due rotaie e delle traversine viene definito "binario", mentre l'intero insieme binario + traversine + strutture di ancoraggio, viene definito "armamento".
La distanza tra le due rotaie è detta scartamento, e non è universale: diverse nazioni e sistemi ferroviari possono avere scartamenti diversi. In Italia, lo scartamento dell'intera rete dello Stato e' di 1435 mm, definito in sede internazionale come "Scartamento Normale" o "Standard" ed e' direttamente derivato dallo scartamento usato da George Stephenson (4' 8 1/2") per presentare al mondo la prima locomotiva.
A seconda della destinazione d'uso dei binari cambiano i tipi di acciaio di cui sono fatti, le dimensioni, il peso massimo dei mezzi in passaggio e la velocità massima ammissibile. Fino agli inizi del '900, i binari erano in ferro, si deformavano con relativa facilità e difficilmente potevano reggere velocità superiori ai 100 km/h. Con l'utilizzo di acciai sempre migliori, oggi si possono avere binari speciali in grado di reggere anche i 500 km/h con treni piuttosto pesanti.
In Europa le dimensioni e i requisiti dei binari sono classificati da normative della UIC. In Italia esiste un'apposita normativa UNI, la UNI3141, che codifica il profilo della sezione trasversale della rotaia, l'area relativa, i momenti d'inerzia e i moduli di resistenza rispetto all'asse di simmetria ed all'asse neutro ad esso perpendicolare, che non si discosta di molto da quella europea. La codifica UNI distingue 7 tipi principali:
- 21 UNI avente massa di 21,737 kg/m;
- 27 UNI avente massa di 27,350 kg/m;
- 30 UNI avente massa di 30,152 kg/m;
- 36 UNI avente massa di 36,188 kg/m;
- 46 UNI avente massa di 46,786 kg/m;
- 50 UNI avente massa di 49,850 kg/m;
- 60 UNI avente massa di 60,340 kg/m.
I tipi piu' usati sono il 36UNI ed il 50UNI per linee tranviarie e metropolitane e il 60UNI per linee ferroviarie principali. Oggi, su tutte le nuove linee e per il rinnovo di quelle esistenti, si utilizzano le UIC-60. Il profilo delle rotaie presenti sull'intera rete nazionale e' definito Vignoles. Esistono altri tipi di rotaia utilizzati all'interno di stabilimenti industriali e porti per i carro-ponte (rotaia Burbach), definite in sede internazionale dalla norma DIN536, o nelle ferrovie da cantiere o da miniera (ferrovie Decauville) definite in sede internazionale dalla norma DIN 5901. Le rotaie vengono fabbricate in lunghezze diverse a seconda del tipo UNI. Si hanno perciò le seguenti lunghezze:
- 21 UNI: 12 m;
- 27 UNI: 12, 15, 18 m;
- 30 UNI: 12, 15, 18 m;
- 36 UNI: 12, 15, 18 m;
- 46 UNI: 12, 18, 36 m;
- 50 UNI: 18, 36 m;
- 60 UNI: 36, 48 m.
Negli Stati Uniti gli standard sono differenti, per cui si possono trovare rotaie da 57 kg/m, 66 kg/m, 67 kg/m, 69 kg/m; si tenga presente che in questo caso le masse sono espresse secondo il sistema Imperiale, quindi i pesi precedenti possono essere indicati come 115, 133, 136 o 140 libbre per yarda.
Nel mondo anglosassone inizialmente si diffusero dei binari in legno, con una sottile copertura superiore in metallo, noti come strap-iron rails; la fragilità, la manutenzione necessaria e le scarse prestazioni però le rendevano preferibili solo nel caso fosse stato necessario costruire rapidamente ed economicamente delle nuove tratte.
Ci sono molti modi per unire tra loro i vari segmenti di binario. Il metodo classico, proprio delle linee tradizionali, prevede la giunzione tramite chiodi o bulloni (chiavarde o tirafondi) fissati direttamente sulle traversine (attacco diretto) o mediante apposite piastre d'appoggio (attacco indiretto), con delle piastre metalliche, dette stecche di giunzione, poste lateralmente e imbullonate mediante chiavarde di giunzione, tra un tratto e quello successivo.
Nella costruzione di binari si lascia volontariamente qualche millimetro tra un elemento e l'altro, per permettere al metallo di espandersi quando riscaldato dal sole senza generare sforzi interni o deformare la traccia. Le piastre di fissaggio sono per questo dotate di fori leggermente ovali, per permettere l'adattamento a queste variazioni termiche. Mentre nel mondo inglese i segmenti di binario erano posti con giunzioni ravvicinate, in America si preferiva posizionarli sfalsati.
Con questo tipi di fissaggio però sui punti di giunzione si creano fastidiose vibrazioni e scossoni, oltre che punti di debolezza meccanica della rotaia. Oggi questo metodo viene utilizzato solo per le costruzioni in economia, o su linee di vecchia concezione.
Attualmente il metodo preferito è quello della saldatura alluminotermica che forma un sistema complesso definito lunga rotaia saldata. Le lunghe rotaie saldate, sono rotaie di lunghezza tale che la loro parte centrale non subisce movimenti per dilatazione o ritiro dovuti alle escursioni di temperature giornaliere o stagionali; ciò è ottenuto con un forte serraggio degli organi di attacco delle rotaie alle traverse e per l'attrito delle traverse sulla massicciata. Sulle linee RFI lunghezze di 150 m, per rotaie 50 UNI, e di 200 m per rotaie 60 UNI, sono le minime alle quali la parte centrale può ritenersi non risenta dell'effetto delle escursioni termiche. Di conseguenza si considerano lunghe rotaie saldate quelle superiori a tale misure. Le lunghe rotaie saldate in uso sulla rete nazionale sono costituite da un certo numero di sezioni contigue, lunghe ognuna 864 m, composte rispettivamente da 24 o 36 rotaie da 36 m o 24 m, saldate alluminotermicamente. Le sezioni di 864 m vengono saldate tra loro e serrate definitivamente alle traverse alla temperatura di regolazione delle tensioni interne che per RFI e' di 30°C e corrisponde alla temperatura media fra una massima sul piano del ferro (piano immaginario che passa per le tangenti dei funghi delle rotaie) di 60°C e una minima di -10°C, alla quel media si aggiungono 5°C. Le lunghe rotaie saldate sulla rete nazionale hanno sviluppi anche di alcuni chilometri; alle loro estremità si lasciano luci di dilatazione tali da ridursi a zero, per effetto della dilatazione delle rotaie contigue alla temperatura di 30°C. Questo tipo di binari, seppur più costosi, sono notevolmente più semplici da manutenere, grazie anche alle traversine in cemento e all'abbondante uso di ballast. Quando è necessario sostituire una parte di binario, tagliandola e saldandone una nuova, i due monconi adiacenti vengono riscaldati e bloccati alle traversine, per fare in modo che con le variazioni climatiche non ci siano deformazioni.
Ci sono diversi modi per fissare la rotaia alle traversine. Il metodo tradizionale inglese, diffuso nella prima metà del XIX secolo era quello di usare profili sostanzialmente simmetrici (spessi sopra e sotto) fissati con cunei di legno in appositi alloggiamenti sulla traversina. Questo tipo di rotaia, a "testa di toro", una volta consumata sul lato superiore poteva essere smontata e rimontata invertita, allungandone la vita e rendendo più semplici le riparazioni.
Oggi questo tipo di tecnica è stata abbandonata in favore del binario a fondo piatto, introdotto negli anni '30 negli Stati Uniti e diventato standard mondiale: la parte inferiore è più sottile ma più larga, e dà più stabilità al binario rendendo al contempo più facile il fissaggio. Sono fissati tramite delle piastre metalliche imbullonate tramite giunti alla traversina, ma nelle costruzioni in economia potevano essere inchiodati direttamente sul legno.
Il sistema usato più frequentemente oggi è il sistema Pandrol, una specie di grossa graffetta metallica composta da una barra d'acciaio cilindrica da 10 mm di diametro piegata su sé stessa e imbullonata alla traversina, che ferma la rotaia ad incastro.
Oggi le traversine sono realizzate in cemento armato, con inserti in gomma per smorzare le vibrazioni tra la rotaia e il suolo e per isolare i binari attraverso cui passano i segnali elettrici degli impianti di segnalazione.
Esistono ancora tuttavia, specie su vecchie linee, traversine in legno compatto, spesso impregnate di sostanze contro gli insetti e i parassiti del legno: lo smaltimento di questi residui è un processo difficile, visto che le sostanze chimiche di cui sono impregnati sono pericolose per la salute e non sono quindi da consigliare a chi intenda utilizzarle come cordoli o recinzioni nei propri giardini od orti.
La manutenzione della linea è più frequente con l'aumentare delle velocità di passaggio. Oggi la posa e la manutenzione dei binari non viene più realizzata a mano da team di operai, ma si usano macchine speciali, in grado di preparare il terreno, posare le rotaie o rimuoverle in modo semiautomatico.
Lavori di manutenzione ordinaria includono la reintegrazione del ballast, lo spargimento di diserbanti o il controllo della linea. Tutte queste operazioni sono oggi svolte da treni appositi. I due treni italiani per la diagnostica sono noti come Archimede e Galileo.
[modifica] Classificazione statunitense
Negli Stati Uniti la Federal Railroad Administration ha sviluppato un sistema di classificazione delle tratte, per l'applicazione di limiti di velocità o di servizio.
- Linea chiusa: possono passare solo treni merci, a non più di 10 miglia/h. Non possono transitare più di 5 carri alla volta di materiale pericoloso.
- Classe 1: Permette il passaggio di treni passeggeri, ma limitati a 15 miglia/ora. I merci mantengono la limitazione precedente.
- Classe 2: Permettono treni passeggeri fino a 30 miglia/ora, e merci fino a 25.
- Classe 3: Massimo 40 miglia/h per i merci, 60 per i passeggeri.
- Classe 4: 60 miglia/h per i merci, 80 per i passeggeri. Sono il tipo più diffuso.
- Classe 5: 80 miglia/h per i merci, 90 per i passeggeri.
- Classe 6: limite unico di 110 miglia/h
- Classe 7: limite unico di 125 miglia/h.
- Classe 8: limite unico di 160 miglia/h
Questi ultimi due tipi di binario sono prevalentemente nell'area nord-est degli USA, dove presta servizio l'Acela Express.
Esisterebbe anche una Classe 9, con limite a 200 miglia/h, ma attualmente non ci sono binari di questo tipo.
