Diseño y Caracteristicas de La via Ferroviaria

f5ds=fA ' drp 48

~=A 2 rp 2

52

rp = 2 A 2

CAPiTULO 11. - EL TRAZADO DE LA ViA

Disponiendo esta ecuación en coordenadas paramétricas, se tiene: dx

=ds cos

dy

=ds sen

Desarrollando en serie el seno y el coseno e integrando, se obtienen tas ecuaciones

para métricas de la clotoide:

x=s - -s'- + .. ... . 40A'

s'

y

=

s'

-- + 6 A' - 336 A'

Despreciando todos los términos a partir del primero resulta la ecuación explícita de la clotoide (válida sólo para el tramo inicial de la clotoide, en las que s y x coinciden aproximadamente ), que relaciona los valores de x e y, así como el ángulo

(l

que forma la

tangente a la clotoide en un punto dado con la tangente en el origen.

x3 y = 6A '

X2

a= - -2 2A

2.4.2. Parámetros básicos. Una vez establecido que el tipo de curva de transición a utilizar es la clotoide, su ecuación es conocida. Para definirla totalmente únicamente es necesario conocer el parámetro de la clotoide o, en su defecto, la longitud de la clotoide. La relación p

s :; : A 2

se cumple siempre, y en particular en el punto final de la clotoide ,

donde es tangente con la curva circular. En este punto, " s ~ es igual a la longitud total de la

cloloide (L) y p es el radio de la curva circular (R).

p

S

= A'

R L = A'

Por lo tanto, conociendo el valor de la longitud de la cloto id e necesaria , se puede conocer el parámetro de la clotoide sin más que multiplicar la longitud por el rad io.

49

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA En la normativa de RENFE, el método utilizado para definir las clotoides consiste en establecer varias limitaciones a su longitud, en función de diversos parámetros.

Es

necesario calcular la longitud mínima necesaria para cumplir cada una de las limitaciones, y seleccionar la mayor de todas las longitudes obtenidas . Dichas limitaciones son las siguientes:

a) Máxima pendiente del diagrama de peraltes: ¡(mm/m), Los trenes circulan normalmente sobre bagies, que son ejes (normalmente dos) agrupados en una estructura metálica. La distancia entre los ejes es de unos dos metros, y por cada bagre hay cuatro ruedas que entran en contacto con los carriles. Cuando el tren ci rcula en una recta o una curva circular, los cuatro puntos de contacto son coplanarios, y no existen problemas para la circulación .

Figura 2.9. El alabeo.

Sin embargo, en las curvas de transición el carril exterior se va elevando para ganar peralte, de forma que los cuatro puntos de contacto de las ruedas del bogie no son coplanarios. Los dos ejes no son paralelos, el bogie se torsiona y actúan las suspensiones, de forma que se sobrecargan unas ruedas y se descargan otras. Esta descarga es muy peligrosa, ya que puede llevar a que se pierda el contacto rueda-carril y se produzcan descarrilamientos.

50

CAPíTULO 11. - EL TRAZADO DE LA VíA La distancia existente entre un punto y el plano que forman los otros tres se llama alabeo.

Para evitar problemas, se limita el valor del alabeo de la vía, o llamándolo de otro modo, la pendiente del diagrama de peraltes, para que el pera lte crezca lentamente y el carril exterior

se eleve suavemente.

La fórmula a aplicar es la siguiente:

i ( mm J =H(mm)

L=H

L (m)

m L = Longitud de la curva de transición (m ). H = Peralte de la curva (mm).

i = Pendiente máxima del diagrama de pera ltes.

En líneas de alta velocidad se suele limitar este valor en 0,6 mm/m y en líneas convenciona les se suele situar entre 1 y 3 mm/m. b) Máxima variación del peralte: u (mm/s),

La unión entre los bogues, ejes y los bastidores de los vehículos se realiza a través de las suspensiones. Estas deben absorber el alabeo de la vía en la curva de transición, y dado que son un elemento mecánico, tienen un tiempo de respuesta determinado. Esta lim itación se establece para dar tiempo a la suspensión para adaptarse desde la situación en recta a la situación en curva. Para ello, se limita la velocidad de ascenso del bogie (es decir, el peralte que se gana por segundo). Si un tren circula con una velocidad V y se aproxima a una curva con peralte H, la velocidad de ascenso del bogie cuando recorre la clotoide es:

u =

H

H L/ V

u ( mm J = H(mm)V(m /s ) s

L (m)

HV L= u

El valor de u se suele situar entre 20 y 80 mm/s.

51

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

e) Máxima aceleración media vertical de elevación de entrada en la curva de transición: Pv

(mis'). Cuando un vehícu lo ferroviario entra en la curva de transición inicia un ascenso debido a la presencia del peralte. El centro de gravedad del vehiculo describe una trayectoria curva en un plano vertical, lo que se traduce en la aparición de una aceleración vertical , que puede causar molestias al viajero. La tolerancia del pasajero frente a las aceleraciones verticales es mucho menor que respecto a las aceleraciones horizontales, por lo que debe limitarse el valor de esta aceleración.

Esta aceleración se calcula con la fórmula:

P,

(n:)=H(m) V ' (m I s) s-

L(m)B(m)

HV '

L= - -

P.. B

B = Distancia entre los ejes de los bogies (12 a 16 m). d) Máxima variación de la insuficiencia de peralte: w (mm/s). Cuando el tren circula por una recta, el viajero no experimenta ninguna aceleración transversa l, mientras que al circular en las curvas, el viajero sufre una aceleración transversal no compensada que viene dada por la insuficiencia de peralte. Para que el viajero no sufra aceleraciones bruscas, esta insuficiencia de peralte debe experimentar una variación suave entre el valor nulo de la recta y el valor correspondiente a la curva. Para ello se limita la variación de la insuficiencia de peralte a lo largo de la curva de transición (es decir, la insuficiencia de peralte que se gana por segundo). El concepto es análogo a la máxima variación del peralte. En una curva con una insuficiencia de peralte H¡, cuando circula un tren con una velocidad V, la velocidad de ascenso del bogie es:

w

w ( mm ) = H ; (mm) V (m I s) s L (m)

L = H; V

w

El valor máximo de la variación de la insuficiencia de peralte se suele situar entre 39 y 89 mm/s.

52

CAPíTULO 11.· EL TRAZADO DE LA VíA

Ejemplo: Si se necesita saber la longitud mínima de la curva de transición que precisa un tren que circula a 200 kmlh (55,5 mi s) por una curva de radio 2.000 m. Limitando la variación de H, a 28 mm/s 2 , se tendrá: Ooc

= V2/R· gH /s = 55 ,52 / 2000 . 9,8 0,16/1 ,74 = 0,640 mis'

H, = s o" /g = 1,74' 0,640/9 ,8 = 0,113 m = 113 mm L = V X H, 1 w = 55,5 • 113 1 28 = 224 m e) Coeficiente de calidad de una transición: 4J

(m/s\

El viajero pasa de una aceleración transversal nula en la recta a una determinada aceleración transversal en la curva. El coeficiente de calidad garantiza que la ganancia de aceleración se realice suavemente. Es un concepto análogo al anterior, pero sustituyendo la insuficiencia de peralte por la aceleración transversal sin compensar.

'f'

a

= =

a

L/V

'f' ( m ) = a(m / s' )V(m / s ) s' L (m)

aV

L= -

'f'

a;; Aceleración transversal sin compensar (m/s 2 ). El valor de este coeficiente se suele situar entre 0,22 y 0,5 m/s 3•

2.4.3. Implantación de las curvas de transición. En el proceso de diseño de un trazado se definen primero las alineaciones rectas y las curvas circulares. Posteriormente, se incluyen entre ellas las curvas de transición, que se definen mediante su longitud mínima, de manera que se cumplan las prescripciones establecidas por la norma. Para incluir una curva de transición entre ambos elementos, es necesario introducir un desplazamiento relativo entre las alineaciones curva y recta. Para ello, el método habitual consiste en disminuir el radio de la curva ci rcu lar en un valor llamado retranqueo, de manera que sea posible el encaje de la curva de transición. Su valor es el siguiente:

l:lR

=

_L_ 24 R 53

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA L ; longitud de la curva de transición (m). R; rad io de la curva circular (m). /IR ; retranqueo (m). En la figura 2.10 se representa la inclusión de una curva de transición entre una recta y una curva .

y

Curva de transición

Recta

O

________r-__==~~~~-----------1-ó

R

x

U2

U2

Figura 2.10. Impl antación de una curva de transición.

Caso práctico: 1.- Se conoce el punto de contacto de la alineación recta con la curva circular (O) y el valor del radio de dicha curva circular (Ro). 2.- Se calcula la longitud deseada de la curva de transición en función de las limitaciones establecidas (longitudes minimas).

3.- Una vez conocidos los valores de L y Ro. puede determinarse el valor del retranqueo (/IR). 4.- Se modifica el rad io de la curva circular en LlR y se obtiene el nuevo radio R 1 = El centro de la curva permanece inalterado.

54

Ro - LlR.

r

CAPíTULO 1/.- EL TRAZADO DE LA VíA 5.- Los puntos de tangencia de la curva de transición con la alineación recta y con la curva circular (T, y T,) se hallan desplazando la magnitud U2 a ambos lados del punto O. 6.- El valor del parámetro de la clotoide viene dado por la ecuación de la misma en el punto de tangencia de la clotoide con la curva circular:

2

A = R 1 L.

Este método es el más habitual , y se caracteriza porque el radio de la curva circular varía ,

mientras que el centro permanece constante. Sin embargo, la implantación de curvas de transición en lineas antiguas implica el problema de la presencia de puntos fijos, tales como puentes, túneles, obras de fábrica, etc., por los cuales la vía debe pasar necesariamente, lo que impide implantar el retranqueo necesario.

Para solucionar estos problemas se han desarrollado otros métodos, tales como el de centro y radio no conservados , o la curva de transición de Klein , que exigen menores desplazamientos de las alineaciones originales para el encaje de las curvas de transición. 2

En concreto, la curva de transición de Klein exige un retranqueo i1R = L I 61 ,3 R; dos veces y media inferior al explicado anteriormente.

3. TRAZADO EN ALZADO. El perfil longitudinal es la representación bidimensional que relaciona la distancia recorrida s a lo largo del trazado en planta con la cota z medida a partir de un determinado plano de comparación. Sus componentes son las rasantes uniformes y los acuerdos verticales.

3.1.

Rasantes un iformes.

Son las alineaciones rectas en alzado, o sea, rasantes en las cuales la inclinación es constante. Pueden ser de tres tipos: - Horizontales. - Rampas: ascendentes según el sentido de la circulación. - Pendientes: descendentes según el sentido de circu lación. Con carácter general y por limitaciones de la adherencia rueda carril, la inclinación de la rasante se debe limitar a 70 %o. Por potencia de los vehículos la inclinación suele limitarse a 50 %o. Normalmente, por encima de las 60 milésimas se utiliza un sistema de cremallera.

55

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA En lineas con tráfico mixto (viajeros y mercancías) la inclinación de la rasante suele limitarse por razones de explotación a 20 milésimas. Las estaciones se deben situar en tramos con inclinaciones inferiores a 2 - 3 milésimas. En la construcción de nuevas va riantes en lineas de velocidad de proyecto mayor de 200 km/h y tráfico mixto, este valor se suele limitar a 15 milésimas.

3.2.

Acuerdos verticales.

Son los elementos que enlazan rasantes uniformes de distintas inclinaciones. Se utilizan alineaciones circulares , tangentes a ambas rasantes.

El va lor de R se limita en función de la máxima aceleración vertical que puede sufrir el viajero sin ocasionarle grandes molestias. Cuando el tren ci rcula por un acuerdo vertical , recorre una trayectoria circular a una velocidad V, luego aparece una aceleración centrifuga vertical de valor:

a

v' R

La to lerancia de los pasajeros frente a las aceleraciones verticales es muy pequeña . Los va lores máximos admisibles son los siguientes: V 2 I R < 0,3 m/s 2

en el caso de líneas antiguas ya construidas que se modernicen.

V 2 I R < 0,2 m/s2 en líneas de nueva construcción , aunque en casos excepcionales este valor puede subir hasta 0.3. Esta limitación conduce a valores mínimos del radio de los acuerdos verticales de 25. 000 m en casos normales, y 10.000 m en casos excepcionales. En la figura 2.11 se muestra cómo se insertan los acuerdos verticales entre dos rasantes uniformes. Las inclinaciones de ambas rasantes se representan por i, e i2 (expresadas por la tangente del ángulo que forman con la horizonta l) y dado que los valores de ambas son pequeños (menores de 20 %o), el ángulo y la tangente prácticamente coin ciden. En ese caso , el ángulo 8 entre ambas rasantes será igual al valor absoluto de la diferencia numérica de las inclinaciones:

8 = I i, - i,

56

I

CAPíTULO 11.- EL TRAZADO DE LA VíA

La longitud del acuerdo sera:

L = e R = (i,- i,) R El vértice del acuerdo de sitúa a la mitad de su longitud , y se halla por intersección de las dos rasantes uniformes enlazadas por el acuerdo. Una vez conocido el vértice, las tangentes de entrada y salida se determinan desplazando la mitad de la longitud del acuerdo a cada lado del vértice.

U2

U2

Cambio de Rasante

Te1-~~9-

______ Ts

Figura 2.11. Acuerdos verticales.

Si se fija un sistema de coordenadas con centro en la tangente de entrada, las coordenadas del centro de la circunferencia respecto a este punto son:

x , =i, R

y, =R ~ 57

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Respecto a este mismo sistema, las coordenadas del punto de cambio de rasante son:

Las coordenada y de un punto p cualquiera para cada valor de la coordenada x, respecto al mismo sistema con centro en la tangente de entrada , es:

y=JR'-( i,R-x)' - R ~ Ejemp lo:

R ; 25.000 m ;, ; 0,015 ;, ; -0,005 8 ; 1-0,005 - 0,0 15 1; 0,02. L ; 0,02 • 25.000 ; 500 m Coordenadas del vértice del acuerdo respecto a la tangente de entrada:

Xv ; L/2 ; 250 m Yv; L/2· ;, ; 3,75 m Coordenadas del punto alto del acuerdo respecto a la tangente de entrada:

x ,. = i, R;0,015 25.000 =37Sm

Y,. = JI

58

(I - ~) = 2S.000( I - ~

I- O,OIS ' )= 2,8126m

CAPíTULO 11. - EL TRAZADO DE LA VíA

GEOMETRiA DEL TRAZADO PARA DISTINTAS VELOCIDADES

200

105

2.200

1.850

200

150

15.000

8.000

210

110

2.400

2.050

210

160

16.000

8.000

220

115

2.600

2.200

220

170

17.000

9.000

230

120

2.850

2.450

230

170

19.000

10.000

240

125

3.100

2.650

240

180

21.000

11.000

250

135

3.550

3.100

330

230

22.000

11.000

260

140

3.850

3.350

340

240

24.000

12.000

270

145

4.150

3.600

350

240

26.000

13.000

280

150

4.450

3.900

370

250

28.000

14.000

290

155

4.750

4.200

380

260

30.000

15.000

300

165

5.350

4.750

390

270

32.000

16.000

310

170

5.700

5.100

410

280

34.000

17.000

320

175

6.100

5.400

420

290

36.000

18.000

330

180

6.500

5.750

430

300

39.000

20.000

340

185

6.850

6.100

450

310

41 .000

21.000

350

190

7.250

6.500

460

310

45.000

25.000

59

...""

O>

o

"'C

'" "'. 3 ~

o

en

"c. n 'c.o"

m r O en

~

1/1

NORMAL

160

NORMAL: 140

160 EXCEPCIONAL: 175

EXCEPC.: 160

Maxima : 0,65

Maxima: 0 ,65

Máxima aceleración

NORMAL: 0,33

'"::>:5

pOSitiva sin compensar. 2 Ascp (m/5 )

Excepcional: 1,00

Excepcional: 0,85

EXCEPC._ 0,46

'"i3

Insuficiencia de Peralle

Maxlma: 11 5

Máxima' 11 5

NORMAL: 59

-Hi· (mm)

ExcepciOnal: 174

ExcepCiOnal: 149

EXCEPC.: 82

u

~ u

Má xima acelerac ión

Máxima: 0 ,458

pOSItiva sin compensar. Ascp (m/5 2)

Excepcional: 0,586 T > 45

25 < T <45 10< T <25 T <: 10

Exceso de peralte -He-(mm)

:;; ~

B

.,. 1

~~ n ~ ~'" ~~ . ~

1/1 lO

" "o

¡;;

O

N

C.

lO

... ~,

1,285

1,00

Normal: 0,5 - 0 ,63 Excepcional' 0,9

Normal: 0,5

ExcepCional: 0,8

Normal :O,36- ,43 Excepcional: 0 ,65

> ;;O >,

c.

-,,''" -'" '"

'c.o"

He <: 110

"ti

3

~

T= miles TBRldia

e

s: m

~

lO

CLOTOIDE

TIPO u.l,u

He< 80 He < 90 He <: 100

O ;;O m

lO

PERALT E MAXIM O - H(mm)

""' < > r

;o

m

z

"TI

rn

-t

;;O

en

e

m -t

~ > e N

O

<:J

¡¡; rn :Z:, O

-<

Q ~ o i1 :o ¡¡;. ::!

Q (/)

<:J

rn

rh

~.

;iJ :o :o o

~

)J

i>

CAPíTULO 11.- EL TRAZADO DE LA VíA

.;

"

o

< v <

~ ~

N

"o

"

Z

~

N

"§ Z

•

.;

"8 "E .o" <

~

~ W

•~

Z

" .;

.;

ª• " " i':. v X

F.

§

o

i':.

~

Z

W

~

.;

O O

.;

~

N

v

F.

"

O O O

.o<

~

i':.

~

Z

~ W

§

F.

§

Z

•v

E o

~

W

':1

.¡;

N

~

E

N

N N

~ ~

~

§

Z

z

~

•~

W

W

Z

w

~

N

"§ "·8 <

u ~

~

.;

~

.;

N

~

~

O N•

"

O

<

Q

"E

i':.

"

~

W

O O

O

8O

""§

~

N ~

O O

~

E

E o

z

~ ~

W

.;

"o .o"i':. <

"

w

~

O

z

"oE

z

~

~ <

O

~

¡;; <

N

¡

~ •~

Z

w

~

.;

~

.;

§ .o i':.

F.

~ Z

"§

<

~

~

W

i':.

•~

Z

w

~

.:l

" <

~ "§

~ w

o

~

Z

"3

~ ~

O ~ ~

~ ~

N

.;

~

¡;; <

"§

.;

Q

~

i':.

<

•~

z

"<.> ~

w

< z

::l

~ ~

.;

o

F.

<

z

U

" ~

~

N

~

~

.; E

"

':1 .o F.

;¡ i':.

~

W

.;

f,

§.

•

1.. ,

1-.r.>W;~3¡\

omano'tr'

4.2. Parámetros para líneas de alta velocidad . Se indican a cont inuación las limitaciones geométricas (según el ADIF ) que debe cump lir el

trazado en planta y alzado de lineas de ancho UIC (1 .435 mm). ta nto para tráfico mixto como exclusivo de viajeros , y con velocidad máxima de proyecto comprendida entre 200 y

350 km/h,.

61

Rl I

1VJ !'2 rn <, o -< oh ."

» ;a ».

~ o

ii1

;:

~.

en

i?VJ

m -< ;a O

."

c: z n

5z » .-

m

en

:::! O

rn

rh

~.

» ;a »

" ~ :o

"

~ :o

."

.-m ¡;; m

z'

O

".-m -<

;a

e" o

O

'i>

Ve locidad ."

» »,

'"

'~"

'"Oen "mO

'"

m,

-< ñ O en o m o ¡¡; m z· O o

'"

m r

-<

t LONGITUD MÁXIMA DE RASANTE CON LA PENDIENTE MÁXIMA

n

e'" o

O

\:;

:!l,

C!

r-

O

I~

::tih ~

CJ

O CJ

",

!j;:

'"'"

~,

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

4.3. Ejemplos de parámetros utilizados en la actualidad .

1,435

1,435

1,668

Ancho de la plataforma (m)

14

13,3

13.3

Enlreeje (m)

4,7

4 ,3

4,3

Velocidad (km/h)

350

300

220

140

Radio minimo (m)

7.250

4.000

3.100

1.000

Ancho de la via (m)

1,668

Longitud mln. círculo (m)

175

Longitud mino cloloide (m)

460

360

354

158

45.000

24.000

16.000

3.400

100

64

Kv mínimo (m)

121

Long. mino acuerdo vertical (m)

175

Pendiente máxima (%)

2,5

1,25

1,25

2,5

Peralte máximo (mm)

140

140

160

160

transv. n.c. max. (mJs2)

0,40

0,65

0,65

0,65

Variación max. ae. transo n.c. (m/53)

0,10

0,14

0,60

0,15

0,20

0,20

0,40

Insuficiencia peralte max. (mm)

60

85

115

115

Exceso peralte max. (mm)

80

100

110

Variación max. del peralte (mm/s)

30

25

75

Variación max. insuf. peralte (mm/s)

30

Alabeo o rampa max. peralte (mm/m)

0,5

yerto max. n.c. (m/52)

64

90 0,63

1,12

CAPíTULO 111.- LA VíA FERROVIARIA

Automotor 596·007 cubriendo un servicio regional Granada-Linares en Moreda (Granada). Mayo de 2005.

65

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

111. LA VíA FERROVIARIA 1. CARACTERíSTICAS DE LA VíA. Habitualmente se llama vía al camino del ferrocarril. Las características que debe tener toda vía ferroviaria son el resultado de la interacción del comportamiento de materiales de muy diversa naturaleza . Las más importantes son: •

Contacto acero-acero en la rodadura . En el ferrocarril convencional tanto las ruedas

como el camino son de acero. Esta singular rodadura le confiere una serie de características muy peculiares. Como ventajas pueden citarse las siguientes: La resistencia al avance de los vehículos ferroviarios es muy pequeña, por lo cual hace falta muy poca fuerza para moverlos (en torno a 2 kp/t), lo cua l se traduce en un importante ahorro de energía. Debido a la dureza del acero, este tipo de rodadura admite elevadas cargas por eje. En España normalmente la carga máxima admisible es 20 Veje, llegándose en algunas lineas hasta 22,5 Veje. En Estados Unidos se llega hasta las 30 Veje. Débil desgaste de rueda y carril debido a la dureza del acero. Como desventajas: El bajo coeficiente de rozamiento entre rueda y carril es la causa de que la adherencia entre ambos sea muy pequeña, lo que provoca patinajes cuando el esfuerzo tractor es superior al adherente. El hecho de que las ruedas no patinen se debe por una parte, a la deformación que se produce en la superficie del carril y por otra, a la deformación que experimentan las propias ruedas , actuando ambos como una especie de "micro-engranaje". Así pues, ambos elementos penetran de forma infinitesimal en el otro, lo que provoca el desgaste de ambos. En este fenómeno de engranaje colabora la presencia de rugosidades imperceptibles, tanto en la llanta de la rueda , como en la superficie de rodadura del carril. El valor límite de la adherencia se alcanza cuando las ruedas comienzan a patinar sobre los raíles. La adherencia

66

CAPíTULO 11/.- LA VíA FERROVIARIA

disminuye si los raíles están engrasados, y llega al máximo si están secos. Debido a esta pequeña adherencia, las lineas de ferrocarril se construyen con inclinaciones muy pequeñas, y las distancias de frenado son muy grandes. La dureza del acero provoca que el contacto entre rueda y carril sea muy rígido , lo que provoca grandes choques cuando se producen desviaciones. Estos choques deterioran la vía y empeoran el confort de las circulaciones. Taras muy altas: los vehículos ferroviarios suelen ser muy pesados, por lo que para transportar una determinada carga es necesario mover un peso muy

superior (normalmente en torno a un tercio de la carga total remolcada corresponqe al peso del tren). •

Elasticidad. El ferrocarril se caracteriza por la circulación de grandes cargas a grandes velocidades. Además, el contacto rueda-carril es acero contra acero, y los vehículos que circulan son pesados y rígidos, de forma que la vía debe ser flexible para amortiguar los impactos y choques que puedan producirse (cargas dinámicas) debidos a irregularidades tanto en el camino como en el material móvil. La flexibilidad de la vía suaviza la circulación de los vehículos y absorbe parte de las cargas e impactos, reduciéndose así las solicitaciones que llegan a la plataforma.

•

Continuidad geométrica en planta y en alzado. Los fallos en la alineación provocan aceleraciones que hacen que aumenten las cargas dinámicas. Una vía mal alineada empeora las condiciones de circulación y se deteriora mucho antes que una vía que tenga una geometría perfecta .

•

Robustez. La carga por eje en ferrocarril es muy elevada , por ello la vía debe ser lo suficientemente resistente como para resistir estas cargas.

Figura 3.1. Vía convencional. Monfragüe (Caceres), 2005

67

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

2. LA VíA CONVENCIONAL. La vía convencional está formada por los carriles , las sujeciones, las traviesas y las capas

de apoyo. Sus funciones fundamenta les son el soporte y el guiado de los trenes. A continuación se incluye una descripción general de sus partes y las funciones que cumple cada una de ellas.

2.1. El carri l. El carril es el elemento que guía el tren. Además , recibe , absorbe y transmite las cargas (minoradas, ya que se deforma) hacia los elementos que se encuentran por debajo de él. También sirve como conductor de la corriente eléctrica en las líneas electrificadas (corriente de retorno) y en algunos sistemas de señal ización.

2.2. Las t rav iesas. Son de madera o de hormigón. Reciben las cargas que le transm ite el carril, las absorbe y las transmite minoradas a las capas de asiento. Las traviesas son en gran medida las responsables de la geometría de la vía, ya que quedan empotradas en el balasto y pesan mucho, impidiendo que la vía se mueva . También colabora n en otros aspectos de la geometría, ya que dan el ancho de vía y la inclinación a los carri les.

2.3. Las s ujeciones. Son unos elementos que mantienen unidos los carriles a las traviesas. Por lo tanto , contribuye n a mantener el ancho y la geometría de la vía, ya que impiden el movimiento del carril respecto a la traviesa.

2.4. El balasto. El balasto es una capa de asiento formada por árido de machaqueo (generalmente de natu ra leza Silícea) angulosa y muy dura. El balasto es el mayor responsable de la elasticidad vertical de la vía, por lo que las cargas que recibe de las traviesas las transm ite muy minoradas a las capas inferiores. Debe tener un espesor mínimo de 30 cm bajo traviesa. También faci lita el drenaje, colabora con las traviesas en el empotramiento de la vía y ayuda al situar la ví a en su posición definitiva (mediante el bateo).

68

CAPíTULO 111. - LA VíA FERROVIARIA

2.5. El subbalasto. El subbalasto es la capa mas profunda de la superestructura. Protege a la plataforma del

punzonamiento por parte del balasto, y al balasto de la contam inación de material procedente de la plataforma (principalmente finos). Transmite las cargas de la vía a la plataforma, mejorando el reparto de éstas, y permite que las labores de conservación de la vía se realicen únicamente en la capa de balasto, sin afectar a la plataforma. Debe tener un espesor mínimo de 15 cm.

ALlNEACION RECTA 0 9

("*1 5 Ea

4

ESa.

I I~-BALASTO ~

(*ISERA 3/2 EN VARIANTE S ;;:!:200 km / h (**) 1,0 5 PARA 3> 200 km/h .

ALlNEACION RECTA 090

{~ I

~

,

j

1 668

Q.Q<..

-

1668

2..1 4002632

I

J

I I

SUB· BAlASTO " BAlASTO

I

0.90

(** 1

\ 3-4°("

~

ES.i"", BALASTO

(**1 1,0 5 PARA:> 200 km / b

Fuente: Lorenle (2004) Fi gura 3.2. Sección tipo de una línea ferroviaria con vía convencional. Vía llnica y vía doble

69

DISEÑO Y CARAC TERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA

2.6. Anticontaminante. Si la plataforma es de muy mala cal idad (elevado contenido en finos, etc.), se intercala un anticontaminante (geotextil ) entre el subbal asto y la capa de forma de la plataforma, lo que protege a las capa s de asiento de la contaminación con materiales indeseables.

3. LA VíA EN PLACA. Históricamente se le ha venido exigiendo al ferrocarril transportar mayores ca rgas a mayores velocidad es. Para ello se ha desarrollado un tipo de vía mas resistente y rígida que permite estos incrementos sin que se disparen los costes de mantenimiento. Este tipo de vía es conocido como vía en placa , y consiste básicamente en sustituir el balasto por una losa de hormigón armado. Esta losa puede ser prefabricada , pero lo normal es que se construya ~i n

situ ", mediante encofrado desli zante. El resto de elementos son similares a los de una vía

convencional (siempre se utiliza trav iesa de hormigón, normalmente bibloque), con la excepción de un elemento extra : el elastómero (material plástico derivado del petróleo), que se introduce entre la traviesa y la losa , y que sirve para aumentar la flexibilidad del conjunto. La vía en placa se utiliza en algunas lí neas de alta velocidad (sobre todo , cuando se quiere reducir el gasto en mantenimiento y escasea el balasto), estaciones, túneles, puentes, etc.

Fuente: Vía Líbre Figu ra 3.3. Via en placa

70

CAPíTULO 111.- LA VíA FERROVIARIA

4. COMPARACiÓN VíA CONVENCIONAL I VíA EN PLACA. Como se ha comentado en el apartado anterior, la vía en placa aparece como alternativa a la vía convencional con el objetivo de disminuir los gastos de mantenimiento y alargar la vida útil, ya que la vía convencional se deteriora antes con el paso de grandes cargas a grandes velocidades (principalmente en lo que a conservación de la geometría se refiere). Frente a esta y otras ventajas , la vía en placa presenta una serie de inconvenientes. Por ello, desde los años sesenta diversas administraciones ferroviarias (sobre todo en Japón y Alemania ) han investigado para minimizar los inconvenientes de este sistema . En España, el primer tramo experimental de vía en placa se instaló en el tramo Ricla-Calatorao de la línea MadridZaragoza en 1975. Estas investigaciones, junto a su utilización en determinadas líneas, han permitido mejorar el sistema , con lo cual sus inconvenientes se han minimizado y puede decirse que hoy en día , la vía en placa es una alternativa viable a la vía convencional en determinados casos. Se citan a continuación las desventajas:

Fuente: lhWW.tranvia .org Figura 3.4. Via en placa del tramo Ricla-Calatorao (Zaragoza)

71

DISENO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA

•

Elevado coste de construcción (en torno al doble que la vía convencional).

•

Gran rigidez. En el caso del ferrocarril, los esfuerzos dinámicos son muy importantes. Por ello, es necesario que la vía tenga una gran elasticidad para amortiguar y absorber las cargas y que , tras las grandes deformaciones que se producen al paso del tren , la vía pueda recuperar su estado inicial sin quedar con deformaciones permanentes. Sin embargo, la vía en placa es muy rígida. La elasticidad de la vía en placa (siempre mucho menor que en la vía convencional) se confía a las sujeciones y a juntas elásticas entre los distintos elementos (normalmente al elastómero entre traviesas y losa). Asimismo, la plataforma de base debe ser muy resistente, ya que al ser tan rígida la vía en placa le transmite grandes cargas.

•

Fisuras: la vía en placa es una estructura muy sensible a los asientos; si el terreno asienta, puede fisurarse.

•

Drenaje. En la vía convencional el desagüe se confía a los huecos del balasto, mientras que en la vía en placa deben disponerse dispositivos específicos para evacuar el agua (canaletas y registros) .

•

Dificultad en la corrección de la geometría. En la vía convencional, su instalación y corrección geométrica durante las labores de mantenimiento es una tarea relativamente sencilla , mediante el bateo de la vía. Sin embargo, durante su construcción, la vía en placa debe instalarse en su posición exacta, ya que una vez instalada no puede moverse, lo cual requiere de maquinaria de gran precisión. Por otro lado, durante su vida útil, debido a su gran rigidez, la vía en placa mantiene durante mucho tiempo las características geométricas, pero si se deforma (principalmente debido a asientos que producen su agrietamiento) es muy costoso y complicado su arreglo.

•

Ruido. En el caso de la vía convencional el balasto disipa las vibraciones producidas por el paso del tren, por lo que los niveles sonoros son bajos. En la vía en placa las vibraciones se absorben menos, por lo que el nivel sonoro es mayor que la vía convencional. Actualmente se utilizan materiales de amortiguamiento acústico (elastómero en juntas, recubrimientos de hormigón poroso o gravilla) que reducen los ruidos.

72

CAPíTULO 111.- LA VíA FERROVIARIA Las ventajas fundamentales de la vía en placa son las siguientes:

•

La necesidad de un menor mantenimiento (lo que ocasiona menores costes y mas disponibilidad operativa), así como una mayor vida útil.

•

La sección de la vía en placa es menor que la de la vía convencional, lo que es una ventaja en los túneles, al ser menor la sección a excavar, y en los puentes, al ser menor la anchura de tablero necesaria. Otra ventaja de su instalación en túneles es que reduce la necesidad de mantenimiento en los mismos , operación más complicada de realizar que a cielo abierto.

•

Admite mayores cargas que la vía convenciona l, incluso a altas velocidades.

Teniendo en cuenta lo dicho anteriormente, los campos de aplicación la vía en placa son en general: •

Por su mayor coste, la vía en placa es muy poco utilizada en líneas convenciona les. Sin embargo, debido a las grandes cargas que se producen cuando se circula a gran velocidad , las vías de alta velocidad tienen elevados niveles de exigencia en cuanto a cargas a absorber y mantenimiento de la geometría. Para absorber mas cargas era necesario aumentar el espesor de la capa de balasto (lo cual en algunas ocasiones no es posible, debido a la escasez del mismo), y para mantener la nivelación se hacía necesario intensificar las operaciones de mantenimiento. Con la vía en placa se consigue una vía mas resistente, que soporta mayores cargas sin sufrir deformaciones permanentes, por lo cual es adecuada para la alta velocidad (sobre todo cuando se dan otras condiciones , como la escasez de balasto, la existencia de muchos túneles y puentes, etc.).

•

El trazado de las lineas de alta velocidad es muy rígido y exigente. Cuando la línea atraviesa un terreno montañoso se hace necesaria la construcción de un gran número de túneles y puentes. Estas obras de fabrica tienen una rigidez muy superior a la del terreno, 10 que provoca asientos diferenciales . Por ello, para evitar discontinuidades resulta adecuada la instalación de la vía en placa en todo el tramo.

•

La vía en placa también es adecuada para instalarse en estaciones de viajeros, ya que dota a la vía de una estética mas moderna y puede limpiarse faci lmente.

73

DISEÑO Y CARACTERiSTlCA S DE LA ViA FERROVIA RIA

5. INTERACCiÓN ENTRE lA VíA Y El VEHíCULO. Aparte de las características de la vía debido a la naturaleza de los materiales que forman sus elementos, la disposición geométrica de los mismos confiere un comportam iento peculiar a la interacción entre la vía y las ruedas del ferrocarril. A continuación se descri ben estos efectos .

5.1. Inclinación de los carriles (V). Los carriles no se colocan vertical es, sino que se inclinan un 5% (y = 1/20) hacia en interior de la vía para mejorar el contacto entre la rueda y el carril (las ruedas son troncocónicas con

ángulo de con icidad 1/20). Así se consigue aumentar la estabilidad (disminuye el riesgo de descarrilamiento por la aparición de una componente horizontal en la reacción de la vía ) y reducir el desgaste de ambos elementos. Esta inclinación se consigue mediante el cajeado de las traviesas.

5%

1m

Fuente: Lorente (2004 ) Fig ura 3. 5. Inclinaci ó n de los carri les y conicidad de las ruedas

5.2. Juego de la vía 0) . Se define como la diferencia entre el ancho de vía y la distancia entre las caras externas de las pestañas a 10 mm por debajo del plano de rodadura . Se introduce para permitir el desplazamiento lateral del eje en las curvas (lo cual mejora su inscripción ) y para evitar el

74

CAPíTULO 111. - LA VíA FERROVIARIA

continuo rozamiento entre las pestañas y los carriles (lo que produciría un desgaste excesivo y riesgo de descarrilamiento). Cada país adopta un valor; en España, j = 2*9 mm.

5.3. El eje montado. En los vehículos ferroviarios, ejes y ruedas forman un solo bloque, para así conseguir una mayor resistencia. Pero esta característica dificulta el paso del eje ferroviario por las curvas ,

ya que el camino por el carril exterior es mayor que por el interior, mientras que el número de vueltas es el mismo para ambas ruedas, lo que puede ocasionar patinajes y esfuerzos de torsión.

El diámetro medio de las ruedas es de 1 m, y son troncocónicas, de conicidad 1/20 (5%), similar a la inclinación del carril. La conicidad de las ruedas permite que al desplazarse lateralmente el eje a paso por las curvas (debido a la acción de la fuerza centrifuga) cada rueda adopte un radio distinto, lo que compensa la diferencia de longitud entre el carril exterior y el interior, permitiendo por ello el paso del eje por la curva. Para conocer la longitud de los carriles interior y la exterior hay que referirse a los radios de cada uno de los carriles. Siendo "en el semiancho de vía,

e el ángulo que abarca el arco de

la curva y R el radio (respecto al eje de la via) de dicha curva , se tiene: Longitud del carril exterior: Lext = Longitud del carri l interior: Unt ;

e (Rcurva + e)

e (Rcurva - e)

Entonces, el carril exterior tiene un exceso de longitud respecto al carril interior de valor : 1\L = Lext - Lint =

e (Rcurva + e) - e (Rcurva - e) = 2 e e

En una curva, al desplazarse el eje hacia el exterior, el radio de la rueda exterior aumenta en la misma magnitud que disminuye el radio de la rueda interior. Si en la recta la rueda tiene un rad io de rodadura r, al desplazarse hacia el exterior una distancia y, el nuevo radio de rodadura será: rext

=r + 1\r =r + y tan(v)

75

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERRO VIA RIA

Fuente: Lorente (2004)

Fig ura 3.6. Variación del radio de rodadura en las curvas

Siendo y el angula de conicidad de la rueda ( tan(y) : ór/y ). Como y es muy pequeño, puede sustituirse la tangente por el ángulo, resultand o: rext=r+ yy Análogamente , la rueda interior gira sobre un círculo de radio: rint

=:

r- yy

Por lo tanto, cuando se produce un giro completo del eje montado, el recorrido de cada una

de las ruedas es el siguiente: Rueda exterior:

lext : 2 TT rext : 2TT ( r + y y )

Rueda interior:

lint : 2 TT rint : 2TT ( r - y y )

La rueda exterior en cada giro del eje recorre un exceso de longitud respecto a la rueda

interior de valor: 1:lext - lint : 2TT ( r+ yy)-2TT(r-yy) :4TT y y

76

CAPiTULO 111. - LA ViA FERROVIARIA

El número de vueltas que necesitan las ruedas para recorrer la longitud de la curva es el siguiente:

Longitud curva Perimetra llanta

N

eR 2 J[ r

Por lo tanto , el incremento de recorrido de la rueda exterior respecto de la interior a lo largo de la

CUlVa

tiene un valor de:

eR

111=4J[ yy - 2J[r

2 yy eR r

Igualando el exceso de longitud del carri l exterior y la diferencia de recorrido de las ruedas se obtiene el desplazamiento lateral del eje (y) necesario para compensar la diferencia de longitud entre tos carriles:

2yyeR = 2ee => r

er

y =yR

Teniendo en cuenta que el rad io de las ruedas es de 0,5 m, el semiancho de la vía es de 0,834 m y la conicidad de las ruedas de 0,05, en una curva de rad io 1.000, el desplazamiento necesario presenta un valor de:

y

= 0,834 • 0,5 / (0,05 • 1000) = 0,0083 m = 8,3 mm

Por ello se adopta un va lor de j = 2*ymax = 2*9 mm

5,4, El movimiento de lazo. El punto de equilibrio de apoyo de las ruedas sobre los carriles se corresponde con su radio

nominal (r) y, normalmente, es el que se da en [as rectas. Sin embargo, al pasar por una irregularidad en la vía, o al salir de una curva, el punto de apoyo no es el de equilibrio, yel eje ferroviario va realizando una serie de oscilaciones hasta recuperarlo. Esto es lo que en la

bibliografía clásica ferroviaria se conoce como movimiento de lazo. Produce la oscilación lateral del vagón o coche de cola, lo cual a su vez puede causar incomodid ad en los viajeros

y choques entre la cabeza de los carriles y la pestaña, por lo que se han desarrollado estudios para limitarlo.

77

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA En una

alineación

recta,

existen

irregularidades

inevitables.

Dada

la

disposición

troncocónica de las ruedas , esto hace que cuando una rueda choca contra una irregularidad,

si se ve empujada hacia dentro, esto hace que la rueda opuesta ruede sobre un círculo mayor (fenómeno que también se produce a la salida de las curvas). Lo que produce un efecto de desplazamiento hacia el lado opuesto al primer movimiento. La sucesión de movimientos hace que el eje al moverse en una recta no siga una trayectoria recta , sino que describa una trayectoria seno id al.

Como se muestra en la figura , la rodadura del eje montado se puede asimilar a la de un bicono unido por las bases, cuyo ángulo en el vértice es equivalente a la conicidad de las ruedas. En un momento dado, el bicono está desplazado del eje de la vía una distancia

" y~ ,

y se apoya en los carriles en los puntos "n" y "m", cuyos círculos de rodadura correspondientes

se

materializan

por

las

circunferencias

n1-n-n2

y

m1 -m-m2 .

Cinemáticamente, la rodadura del bicono en ese instante equivale al giro del cono l-m1 -n1 n2-m2 sobre el eje 10.

e

1

y n2

Fuente: Lorente (2004 ) Figura 3.7. El movimiento de lazo

Entonces, I es el centro instantáneo de rotación del centro del eje curvatura de la trayectoria en ese punto.

78

y 10 es el radio de

CAPíTULO 111. - LA VíA FERROVIARIA La distancia 10 se demuestra que tiene el valor:

er 10=-

yy

Siendo y ;;; f(x) la ecuación de la trayectoria del centro del eje montado, y' será la tang ente a

la curva en dicho punto e y" es el radio de curvatura de la trayectoria en ese punto. Entonces se verifica que:

d 'y

dx '

=

p

=

la

=

yy er

d ' y + y y =0 dr 2 er

Por tanto, se deduce que:

d 'y Y Y + V' = O dI ' e r Esta es la ecuación de un movimiento armónico, cuyo movimiento se rige por las ecuaciones:

A. = 27r

¡;7

1/7

La longitud de onda A para los valores habituales de RENFE (e = 0,87 m, r = 0,5 m, V = 0,05) toma un valor de 18,5 metros. La amplitud máxima es de 4,5 mm, lo que nos proporciona una sinusoide muy achatada.

Este movimiento provoca aceleraciones indeseables que afectan al confort del viajero, choques y desgastes ondu latorios en los carriles. En algunas redes como en Aleman ia y en Japón, para aumentar la longitud de onda de este movi miento, se ha reducido la conicidad a

1:40. El valor de la máxima aceleración transversal es de y" = _w 2 Y = v 2 (y/er) y. Si la y máxima corresponde al juego de vía , la aceleración máxima tiene un valor y" = 5 10-4 V 2 .

79

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

6. EL ANCHO DE VIA. 6.1 . Definición. El ancho de vía es la distancia entre caras interiores de los carriles medida a una distancia de 15 mm por debajo del plano de rodadura. El ancho de vía es un parámetro que generalmente viene dado en cada red, puesto que es algo que ha sido establecido con la construcción de la línea.

6.2. Los distintos anchos de via. Existen multitud de anchos de vía, aunque unos están más extendidos que otros. En España (sin contar ferrocarriles mineros, industriales, etc.) existen tres anchos de vía distintos: •

Ancho ibérico A = 1.668 mm. Implantado en las líneas ferroviarias convencionales de España y Portugal. Anchos similares al ibérico están instalados en el 16% de la red mundial.

•

Ancho UIC, internacional ó estándar. A = 1.435 mm. Implantado en el 70 % de las líneas del mundo. La extensión de esta medida se debe a que era el ancho más uti lizado en la primera época del fe rrocarril , por lo que muchos países transformaron sus redes a dicho ancho cuando la longitud de red todavía no era excesiva como para poder acometer la remodelación . En España se utiliza ancho internacional en las redes de metro de Madrid y Barcelona , y se está implantando en las líneas de alta velocidad de nueva construcción para integrarlas en un futuro con la red europea.

•

Vía estrecha. Generalmente se denomina vía estrecha a todos aquellos anchos inferiores al internacional. El más extendido es la vía métrica (A = 1.000 mm ). España tuvo una gran longitud de líneas de vía estrecha, con muy diversos anchos (1 .220,1.000, 914,750,600 mm, etc.). Normalmente el ancho métrico se utiliza en líneas ferroviarias convencionales y tranviarias, y los inferiores para fun iculares, líneas tranviarias, mineras e industriales. Actualmente, después del cierre de muchas líneas y la transformación de otras, el ancho métrico es el que predomina en la red de vía estrecha española. El 14% de la red ferroviaria mundial es de vía estrecha.

80

CAPiTULO 111.- LA ViA FERROVIA RIA

Figura 3.8. Estaci ón de La Un ión (Murcia), en la línea de vía estrecha Cartagena-Los Nietos, 2004

6.3. Comparación entre la via ancha y la via estrecha . En principio, la gran diferencia de prestaciones (en cuanto a velocidad y capacidad de transporte) que ofrecen en países como España las líneas de vía estrecha con respecto a las de ancho superior no se justifican por la falta de estabilidad en la marcha que se deriva de una menor distancia entre ruedas.

La razón se encuentra en la propia génesis de las líneas de vía estrecha , que debido al consentimiento del marco legal que las regulaba , se construyeron ahorrando muchos costes (de hecho, tenían el calificativo de "ferrocarril económico"). Este ahorro en costes se consiguió ciñendo mucho mas el trazado de las lineas al terreno, con menores radios y mayores inclinaciones, y reduciendo la sección transversal , lo cual permitió ahorrar en movimientos de tierra, sección de túneles, etc. Lógicamente, la adopción de estos pobres para metros de diseño penaliza enormemente su explotación, ya que reduce la velocidad de circu lación y la capacidad de transporte. Por lo tanto, las limitaciones de las lineas de vía estrecha no deben asociarse a su ancho, sino que en su mayor parte son consecuencia de las restricciones impuestas por para metros co nstructivos.

81

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA Un ejemplo claro de que una linea de vía estrecha puede ofrecer tan elevadas prestaciones como las de ancho superior es la línea de alta velocidad de vía estrecha Super Exprés en Japón en la cual , utilizando los parámetros de diseño de las líneas Shinkansen (líneas de alta velocidad en Japón) respecto a trazado y gálibo de carga, se alcanzan hasta los 200 km/h. Se resumen a continuación las desventajas de la elección de la vía estrecha con respecto a un ancho superior:

•

La mayor desventaja de la vía estrecha es la dificultad de conexión con la red ferroviaria predominante en el país, que suele ser de un ancho mayor. Es necesario recurrir al trasbordo de personas y mercancías en aquellos casos que los traficas se mueven por ambas redes , lo cual aumenta el coste del transporte (se necesitan instalaciones complementarias y personal para realizar las operaciones de trasbordo ) y la duración del viaje.

•

Debido a la menor distancia entre las ruedas , la estabilidad de los vehículos en las curvas es algo menor, por lo que su velocidad de paso por las curvas también debe de serlo aunque, como se ha dicho anteriormente, lo que suele limitar la velocidad de paso por cu rva en las lineas de vía estrecha es lo reducido de su radio.

•

Debido a que las obras de fábrica y túneles se construyeron con una sección reducida (gálibo reducido), la sección transversa l de los vehícu los también suele ser menor, lo cua l limita su capacidad de transporte.

Como ventajas de la vía estrecha: •

Debido a la menor distanci a entre los carriles, la diferencia de recorridos por las ruedas en las curvas es menor. Esto facilita la inscripción del eje ferroviario en curvas de rad io reducid o, lo que hace que las líneas de vía estrecha sean muy adecuadas para trazados montañosos .

•

Dada su menor anchura , el vo lumen de movi mientos de tierra necesarios es menor. También la sección transversal de obras de fábrica y puentes puede reducirse , lo que supone un ahorro. Por último, también se ahorra en balasto y travi esas.

82

CAPíTULO 111. - LA VíA FERROVIARIA

6.4. Soluciones al problema de los distintos anchos de via. El ancho de vía es una característica ¡ntrinseca de cada red. Si dos redes ferroviarias tienen distintos anchos de vía , aparecen problemas de continuidad entre ambas. Este problema,

que ha existido desde los inicios del ferrocarril, se ha venido solucionando de distintas formas:

•

Trasbordo de personas y mercancías en los puntos de contacto entre redes de distinto ancho.

•

Cambio de ancho de la red: debido a su elevado coste y la dificultad que supone mantener el tráfico durante el proceso, solamente puede acometerse cuando la red es de pequeña longitud.

•

Material remolcado con ejes o bogies intercambiables. Consiste en cambiar la rodadura de coches o vagones en los puntos-frontera. Para ello se elevan las cajas de los vehículos medíante gatos hídráulícos, y se reemplazan las rodaduras. En España, la empresa de transporte de mercancías TRANSFESA fue pionera en su aplicación, que comenzó en 1960. Para viajeros se aplicó desde 1969, comenzando su explotación comercial con el expreso "Puerta del Sol" (Madrid-París) y el Sudexprés (París-Lisboa). Actualmente, en España, esta tecnología solamente se utiliza para trenes de mercancías.

•

Trenes con ejes de rodadura desplazable. Este sistema requiere la instalación de cambiadores de ancho en los puntos-frontera. A su paso por estas instalaciones los trenes cambian automáticamente de ancho, mediante el desplazamiento de las ruedas a lo largo del eje. Talgo es la empresa fabricante de material móvil de rodadura desplazable pionera en esta tecnologia. El Talgo 111 RO (rodadura desplazable)

comenzó

el

servicio

comercial · en

1968,

asignado

a trenes

internacionales entre España , Francia , Suiza e Italia. Actualmente existe otra empresa española fabricante de trenes de rodadura desplazable: CAF.

83

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERRO VIARIA

A

~ ~ B B Fuente: www.talgo.com Figura 3.9. Esquema del funcionamiento del sistema Talgo de cambio de ancho

84

CAPiTULO 111. - LA ViA FERROVIA RIA

Fotografía: J. Alguacil

Figura 3.10. Cambiador de ancho Talgo en Córdoba

•

Traviesa polivale nte (PR-9 0). Mediante su doble sistema de sujeción, permite el montaje de los carriles seg ún dos anchos de vía (ibérico e internacional).

•

Vía con tres carriles: se basa en el uso de traviesas (AM -OO) con el cajeado preparad o para recibir tres carriles. Los dos exteriores permiten la circulación de trenes de mayor ancho, y el interior, junto con el exterior mas alejado, permite la circulación de trenes de menor ancho de vía.

Fotografía: Oique

Figura 3.11. Vía con tres carriles en la: línea Olmedo-Medina del Campo

85

CAPiTULO IV. - EL CARRIL

( ~r~; j I '

,-

Tren de mercancías remolcado por la locomotora 269.014. Garin oain (Navarra), agosto de 2005

87

DISEÑO Y CARACTERisTICAS DE LA ViA FERROVIARIA

IV. EL CARRIL El carril es el elemento que mejor identifica al cam ino ferroviario. A continuación se describen sus funciones , características y comportamiento.

1. FUNCIONES. Las funciones del carril son las que a continuación se describen: 1. Absorber, resistir y transmitir a las traviesas los esfuerzos recibidos del material móvil

y los esfuerzos térmicos. Estos esfuerzos pueden ser de los siguientes tipos: •

Verticales: cargas estáticas (peso del material ), cargas cuasi·estáticas (las cargas

verticales producidas por el efecto de la fuerza centrífuga) y dinámicas (las producidas por el movimiento de los vehículos ).

•

Transversales:

producidos fundamentalmente

por la

fuerza

centrífuga

y el

movimiento de lazo. •

Longitudinales: esfuerzos térmicos y los debidos al arranque y frenado de los vehículos.

2. Guiar el material móvil. La interacción entre las pestañas de las ruedas y la cara interior de la cabeza de los carriles hace posible el guiado del tren. 3. Conducir el retorno de la corriente eléctrica de tracción. En las líneas electrificadas, la corriente eléctrica regresa a las subestaciones a través de los carriles. 4. Conducir corrientes eléctricas relacionadas con el sistema de control de tráfico y señalización. En algunos sistemas de control de tráfico ferroviario [os carriles forman circuitos de vía, que se cierran al paso de los trenes (a través de los ejes); de esta forma el sistema sabe que en un determinado tramo de vía hay un tren. También los carriles pueden ser portadores de una señal eléctrica que transmite información a [os trenes (señalización, incidencias, etc.) y viceversa. Esta señal es recogida por los trenes a través de antenas cercanas a los carriles. Para que no se solapen las corrientes (control de tráfico , señalización , tracción) , cada una de ellas tiene una frecuencia diferente.

88

CAPíTULO IV.- EL CARRIL

2. MATERIAL. En sus inicios los carriles se fabricaron de hierro, por lo que sufrían grandes desgastes y deformaciones. Por ello, a partir de 1870 pasaron a fabricarse en acero, material que resiste mayores cargas con menores deformaciones y desgastes, además de comportarse mejor con respecto a la corrosión. El acero es una aleación de hierro con diversos elementos (C, Mn , S), principalmente carbono. Se utilizan aceros del tipo perlita-ferrita. La aleación con el carbono y los otros elementos aumenta su rigidez y dureza, lo cual es bueno, pero también su fragilidad y dificultad de soldadura, lo cual es indeseable. Por ello se limita el contenido de e , Mn y S a menos del 0,9%. De esta fo rma, la tensión de rotura del acero se encuentra en torno a los 7.000-9.000 kg/cm'.

3. FORMA. Los carriles, entendiendo como tales elementos de apoyo y guiado, han existido desde la antigüedad, y son mucho anteriores al ferrocarril. A lo largo de su histo ri a, y por supuesto, desde la invención del ferrocarril , han sufrido multitud de variaciones en cuanto a forma y materiales. Se describe a continuación su evolución durante la época del ferrocarril.

3.1 . Sección variable . También conocido co mo "carril con vientre de pez", se fabricaba en hierro fundido y apoyaba sobre dados de piedra o apoyos metálicos. Su sección variable trataba de ceñirse a los esfuerzos a los que está sometido el carril, para así ahorrar material. La dificultad de su fabricación y los inconvenientes ya comentad os del material utilizado propiciaron que rápidamente se dejara de utilizar.

Fuente : Lorente (2004 ) Fig ura 4.1. Carril con vientre de pez

89

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

3.2. Sección constante. Teniendo en cuenta que las principales cargas a las que el carril se ve expuesto son cargas puntuales verticales, parece lógico que su sección óptima se aproxime a una doble T; también hay que tener en cuenta los efectos producidos por la rodadura de las ruedas: si la forma del ca rri l no se adapta a las mismas, los desgastes serán muy grandes. Estos condicionantes dan unas indicaciones generales sobre su forma . Por otro lado, la simplificación del proceso de fabricación y el desarrollo de la técnica de laminación impuso el carril de sección constante. El proceso de laminación consiste en hacer pasar el metal incandescente a través de rodillos giratorios acanalados que lo van comprimiendo para darle forma.

3.2.1. Carril de doble cabeza. Un carril que ha sido bastante utilizado (sobre todo en el Reino Unido) es el Bull-Head o de doble cabeza, que pretendía ser reutilizado dándole la vuelta tras el desgaste de la cabeza superior, pero las deformaciones y desgastes generados por el contacto con las sujeciones en la cabeza inferior no permitían su reutilización , por 10 que dejó de utilizarse.

Elaboración: A. Tamayo (2005)

Figura 4.2. Carril de doble cabeza

90

Figura 4.3. Via con carril de doble cabeza

CAPíTULO IV. - EL CARRIL

3.2.2. Carril Vignole.

Actualmente, el carril más utilizado es el carril Vignole , llamado así por el ingeniero que 10 introdujo en Europa (tambi én conocido como "carril de patín", había sido desarrollado por el americano Stevens). Se parece a una viga en doble T, pero adopta distinta forma en las alas: la superior es más gruesa para resi stir cargas y desgastes, y la inferior aplanada para dar estabilidad y repartir cargas. De acuerdo con esta forma, el carril Vignole cuenta con tres

partes diferenciadas: cabeza, alma y patín, cuyas funciones se describen a continuación.

V

M

8 M

.,> -

- -

~

,

16

"'-MA ~

~

~

--;¡-$21.'

I IOd 3~n PATlN

1.-- 2

I

CABEZA

m

I~C-

16 \- ,

\ .1~

~.

~

M

140

I

Fuente: Transfesa (2002) Figura 4.4. Carril Vig no[e

La cabeza es la parte destinada a entrar en contacto con las ruedas del material móvil y servir de superficie de rodadura. La parte superior, que es donde apoyan las ruedas , se denomina tabla de rodadura; las caras laterales hacen posible el guiado de las ruedas. Aunque debido a la naturaleza del acero pueda parecerlo, el contacto rueda-carril no puntual, sino que el material de ambos elementos se plastifica, de manera que la superficie de contacto adopta la forma de una elipse de 1 cm 2 de superficie aproximadamente, en la cual se llegan a alcanzar tensiones de hasta 15.000 kg/cm 2 (valor superior a la tensión de rotura del acero). Las plastificaciones que tienen lugar en el acero del carril por el contacto con la rueda se traducen en desgastes en la cabeza del carril. La experiencia en la utilización de carriles muestra que el contacto llanta-carril produce un perfil de equilibrio de desgaste, que se

91

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA aproxima a una superficie circu lar con un rad io de 300 mm, denominado radio de bombeo. Por lo tanto, la tabla de rodadura de los carriles no se fabrica plana, sino con una curvatura igual la inversa del perfil de desgaste, para que de esta forma duren más tiempo. Durante la vida útil del carril , las dimensiones de la cabeza deben ser tales que garanticen la resistencia a las cargas, a pesar del desgaste. La anchura de la cabeza debe estar comprendida entre 65 y 72 mm. Si la anchura fuese menor, se tendría una cabeza débil y frágil , mientras que si fuese mayor, las cargas se descentrarían excesivamente respecto al eje del carril. La altura debe ser tal que permita un equilibrio de masas entre la cabeza y el patín, condición que cumple el carril debido al proceso de fabricación. El alma se caracteriza fundamentalmente por su espesor, que debe ser capaz de resistir tanto los esfuerzos cortantes (las tensiones tangenciales se concentran en el alma) producidos por el apoyo de las ruedas como el desgaste debido a la corrosión. En la vía con juntas se realizan unos taladros en el alma en los extremos del carri l para albergar los tornillos de las bridas. El Patín se caracteriza por su anchura y por la forma y espesor de las alas. Cuanto más ancho sea , mayor será su resistencia al vuelco, y mejor será el reparto de las cargas a la traviesa , si bien hay que añadir que a este mejor reparto también con tribuyen las placas de asiento.

Fig ura 4.5. Carril Vi gnole sin mo ntar. Es peluy (Jaé n), 2004

92

CAPiTULO IV. - EL CARRIL 3.2.3. Carril de garganta.

La gran ventaja de este carril es que va embebido en el pavimento, y por lo tanto puede ser rebasado por el tráfico rodado . Por ello se utiliza en tranvías, puertos, terminales intermodales, etc.

FOlografia: M. Peña

Figu ra 4.6. Carril de garganta

Figura 4.7. Carril de garganta en El Campello (Alica nte), 2004

93

DISEÑO Y CARACTERisTICAS DE LA ViA FERROVIARIA 3.2.4. Carril Brunel.

Se utiliza en las vias de puentes-grúa y grúas móviles. Debido a que soporta grandes cargas que se mueven a muy baja velocidad y que están centradas, adopta una forma más robusta , con una cabeza y alma muy gruesas, que en la práctica se materializan en una sola pieza en forma de U invertida y se coloca verticalmente, sin inclinación. Normalmente se utilizan con ruedas de doble pestaña. ~

~

[

, L-

U

¿

~

f-

f

'J Elaboración: A. Tamayo (2005)

Figura 4.8. Carril Bru nel

Fotografia: C. Sanz Figura 4.9. Carril Brunel. Puerto de Barcelona, 2003

94

CAPíTULO IV.- EL CARRIL

4. PESO. Es la característica fundamental de los carriles, ya que es el parámetro que en gran medida define sus características resistentes fundamentales. El carri l más pesado tiene una mayor sección transversal, lo cual le permite resistir ca rgas mayores y tener una mayor vida útil, ya

que tiene una mayor sección que desgastar. De hecho, los carriles se denominan por su peso en kilogramos por metro lineal. De este modo. se habla de los carriles tipo UIC-54 (54 kg/m). UIC-60 (60 kg/m). etc. Actualmente los UIC 54 y 60 son los más utilizados en España.

Ante la gran proliferación de tipologías de carriles en las distintas redes, la UIC ha estandarizado varios tipos, como son los UIC-54, UIC-60 y UIC-71. Además de la infiuencia de otras variables, cuanto mayor sea el tráfico previsto en la línea, más pesados deben ser los carri les. Las secciones de los distintos tipos aparecen en la figura 4.10 .

5. COMPORTAM IENTO. El comportamiento tensional del carril es muy complejo, y las tensiones que soporta tienen distintos orígenes: •

Tensiones de flexión debidas a la deformación de la vía al paso del tren .

•

Tensiones generadas en la zona de contacto entre la llanta y el carril, y que producen una elipse de 1 cm 2 de superficie en la que el material está plastificado. En esta zona las máximas tensiones tangenciales se localizan a una profundidad de unos 3-4 mm de la superficie de rodadura.

•

Tensiones tangenciales , debido a la carga puntual que suponen las ruedas. Se concentran principalmente en el alma .

• •

Tensiones de origen térmico. Tensiones residuales derivadas la fab ricación (tensiones residuales por el proceso de laminación, enfriamientos diferenciales, etc.).

•

Concentración de tensiones en torno a impurezas en el material del carril.

95

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

•

Tensiones debido a la presencia del carril en una curva, en la que tiene que deformarse para adaptarse al trazado de la misma.

72.2

14.3

10

'1

J

~i

~

- - - -,,- ,

---, I

¡

I J)$

>..

I

1~ . ~

,,' g¡ 'i l

'1,

,

.

-s;.J

':: í

1' 14

~

""

CARRIL UIC· 54

CARRIL UIC -60

Sección' 6934 .00 mm~ Peso: 54.43 K9/ m EQtI,libf;o Té,mICO: 1.666 MomenlOS de ine,c i~ : Ver1ical: 23 4 6.00 cm 4 Hor'lonl"': 417.50 cm' Módulos ,esistenles : Ver1ic,,' : 2 79 .19 cm) Ho,ilQn ta" 59.64 cm J

Sección: 7686 mm] Peso: 60.3 4 K9/ m EQu;lobr io téfm ico: 1.56 Momen tos de ine,ei,, : Ver1ic,,' : 3055 cm' Hor'l ont"l: 512 .90 cm' Módulos fuislel11es : Vertieel: 33 5.50 cm) Ho, izonl"' : 68.40 em J

76.5

Ir I ~!

I

;:

~;

"

, 18

I

"

,

r,.Ib,J< ' '-'----:-:c------' I-:I 160 -

- - - - ' - " ' - - - --'

Sección' 9079 m m 7 Peso: 1 1.27 \(9/ m EQuilob"o térmico: 1.5 4 Momenlos de ine,e,, : Ver1 ic"l' 4 151 .66 cm" Honzontal: 735.06 cm' Módulos resistentes : Vertical ' 4 99.13 cm) Horizontal: 91 .90 cm)

CARRil UIC· 71

Figura 4.10. Sección y características de los carriles

96

4.1

CAPiTULO IV.- EL CARRIL En cua nto al estado tensional (tensiones normales) del carril debido a esfuerzos de flexión y

residuales, los resultados de diferentes estudios parecen confirmar que las tensiones residuales en el carri l siguen la siguiente distribución :

Fuente: Lorente (2004) Fi g ura 4. 11. Tensiones resi d ua les en el carril por el proce so de laminación

En la superficie de rodadura aparecen compresiones, que se transforman en tracciones a una profundidad de 10-15 mm. El resto de la cabeza está en tracción , mientras que el alma trabaja a compres ión y el patín también a tracción. A estas tensiones hay que sumarles las tensiones de flexión inducidas por el paso de los ejes ferroviarios, los cuales originan ciclos de tracción-compresión.

+

Fuente: Lorente (2004)

Figura 4.1 2. Tensiones normales en el carril

Este estado tens ional, unido al efecto de la fatiga (debido a la alternancia de los ciclos de tracción-compresión al paso de las ruedas), puede causar la aparición de una fisura interna

97

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA a una profundidad de 10-15 mm. Esta fisura interna puede ocasionar una fractura transversal que provoque la rotura frágil del carril.

6. DEFECTOS Y ROTURAS. A pesar de los controles que se llevan a cabo , siempre suele existir un determinado número de carriles que deben ser retirados del servicio antes del tiempo previsto para su reposición , debido a los defectos iniciales y a los que aparecen durante su vida útil. La s causas de estas prematuras reposiciones de los carriles son: •

Defectos debidos a la fabricación.

•

Defectos debidos al tráfico circulante.

•

Desgastes ondulatorios.

6.1. Roturas. Cuando se habla de rotura , no quiere decir que el carril se haya partido, algo difícil de ocurrir, sino que se han producido fisuras importantes que limitan sus propiedades (resistencia, seguridad, etc.). El 25 % de las roturas anticipadas se deben a defectos de fabricación, mientras que el 75% restante es debido al tráfico ci rcu lante, principalmente por fatiga del carril. En general, la probabilidad de rotura aumenta en las curvas, en las agujas y en las juntas, por choq ues de la rueda , así como en los túneles y zonas húmedas, por los efectos de la corrosión. También las roturas son más frecuentes en invierno, ya que el acero se encuentra traccionado y la resistencia a tracción del acero disminuye con la temperatura. Las principales roturas son las siguientes: •

Rotura de los extremos alrededor de los agujeros de las bridas, por fisuraciones radiales.

•

Rotura por fisura interior debido a una inclusión: a veces , durante el proceso de fabricación , quedan elementos extraños dentro de la colada. En elios se concentran las tensiones, y por ello pueden producirse grietas.

98

CAPiTULO IV. - EL CARRIL •

La piel de serpiente. En las zonas de arranque y frenado se producen patinajes, de manera que la zona de rodadura sufre un fuerte calentamiento, con la consecuente dilatación diferencial respecto a la zona inferior, lo que produce huellas y grietas .

.)

. )

b)

.

~ ...''''''''' ' " : '.-r..:~{

.)

,)

')

')

1) b)

M~,,·"''''' ()\o~

1)

Hue-'Iu d~s 111 ~,,~

r,5u,~ ,6n Pvw"orota! .. " ~I .. w l!
gl

H~odura

L!o

el d

I

el

e ab~/1

1'»

r 'su'acoón "Cfhc,)l en e e~1r f ''''<) (le t.,. eabf!n ~ osu'a(~

v.,.,o.c.al del "Ima

,)

1ong.IUo(I.....1 ("", ~rr... F'SUlKI(>nf;S ,Ml',ales al'edeoo' ele Inl 0'" 1'(005 (le las bo.d.n Oe~"lIado (1 .. la $u!!ft,foc:,e M .odi!' dula 15","I"ngl

DefectO Ioc~ otodueoo1o DO< el 03t'*l'jf

Figura 4.13. Ejemplos de roturas en los carriles

•

Shelling

•

Roturas de las soldaduras. Si el acero conseguido en la soldadura no tiene las

O

descascarillamiento de la superficie de rodadura.

mismas característ icas que el de los carriles, aparecerán tensiones y deformaciones diferenciales entre ambos que provocan grietas y roturas .

99

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERRO VIARIA

Figura 4.14. Rotura del carril por aplastamiento

•

La mancha oval plateada. Es un defecto interno del carril que no se ve en el exterior. Normalmente tiene su origen en el proceso de fab ricación , por un enfriamiento ráp ido

del carril. Cuando el carril se enfría rápidamente. las zonas cercanas al exterior (patín, alma y contorno de la cabeza) se enfrían muy deprisa, mientras que el interior de la cabeza tarda mucho más. Este enfriamiento diferencial da lugar a la aparición

de acero de diferentes características en la sección del carril , 10 que provoca discontinuidades (en cuanto a resistencia , deformaciones, dilatación) que favorecen la aparición de fisuras internas que junto con los ciclos de carga-descarga pueden producir la rotura frágil del carril. La rotura frágil es la más peligrosa, ya que se produce de repente (no hay grandes deformaciones previas).

6.2. Desgastes. Se define como el cambio en las dimensiones del carril por la acción de las ruedas de los vehículos y del entorno donde se encuentra instalado. Existen dos tipos de desgaste: el desgaste normal y el desgaste ondulatorio.

100

CAPíTULO IV.- EL CARRIL

El desgaste normal u ordinario es producido principalmente por el paso de los trenes, y genera una disminución de la sección de la cabeza .

Fuente: Lorente (2004)

Figura 4.15. Desgaste normal u ordinario

Este desgaste es mayor en el carril exterior de las curvas , y puede reducirse engrasando los carriles y poniendo carriles más duros. El desgaste norm al (debido al tráfico) aumenta con: •

El peso de los vehiculos (ejes muy pesados).

•

Las cargas dinámicas (cargas a grandes velocidades ).

•

Trazado (peralte intermedio).

•

Defectos de la vía y la plataforma (aumentan las cargas dinámicas).

•

Defectos en la composición química de los carriles.

•

Defectos en el perfil de las llantas (planos en las ruedas).

•

Vehículos: tipo de suspensión, defectos en la suspensión o en los ejes (ejes frenados).

•

La corrosión.

El desgaste ondulatorio consiste en unas deformaciones ondulatorias de la cabeza del carril con longitud de onda constante. Este desgaste puede presentarse de varias formas:

101

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIA RIA a) El desgaste corto , consistente en una sucesión de manchas brillantes con una longitud de onda de unos 6 cm, y una profundidad de hasta 0,3 mm. Es un fenómeno que todavía

no ha sido explicado del todo, y que provoca un fuerte aumento de las cargas dinamicas, lo que se traduce en una gran degradación de los elementos de la vía, las traviesas y las

sujeciones , aumentando la res istencia a la rodadura y el ruido producido por el tren. b) El desgaste largo se produce en vías con una elevada carga de tráfico, y se presenta con

longitudes de onda de entre 0,5 y 2 metros, y amplitudes de hasta 4-5 mm. Ambos se corrigen con el amolado de la superficie, lo que incrementa la duración de los

carriles hasta en un 30%. Es una operación de mantenimiento normal. Tipos de desgastes ordinarios y su medición •

Desgaste lateral: se produce en el hilo alto de las curvas por el paso de los trenes rápidos , debido al contacto entre la pestaña y el carril, por efecto de la fuerza centrifuga

(insuficiencia

de

peralte).

Si

es

excesivo,

puede

producir

descarrilamientos. Es la diferencia entre el perfil de desgaste y la cara interna del

carril a 10 mm por debajo del plano de rodad ura.

A

~::3-!:\-----"v

10mm

Elaboración: A. Tamayo (2005)

Figu ra 4.16. Desgaste lateral

102

CA PiTULO IV. - EL CA RRIL •

Desgaste vertical: se mide sobre el eje del carril.

C9 ,, , ,

Elaboración: A Tamayo (2005) Figura 4.17. Des gaste vertical

•

Deformación plástica: es producido en el hilo bajo por los trenes más lentos y pesados, dado que están en situación de exceso de peralte y sobrecargan el carri l interior, generándose rebabas. La rebaba debe ser menor de 30 mm.

Elaboración: A. Tamayo (2005) Figura 4.18. Deformación plastica

•

Desgaste por corrosión. Afecta a las superficies expuestas del carril, sobre todo, al alma. Puede medirse por pérdida de peso, pérdida de sección, etc.

103

DISEÑO Y CA RACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA El desgaste de los carriles puede estimarse por una curva desarrollada en Alemania , que sirve para ca lcular el desgaste de un carril en función del tráfico que soporta.

cm' 10' TBC 4 i > 10%0

3

2

i < 10%0

200

600

1000

1400

1800

R (m)

Elaboración: A, Tamayo (2005) Fig ura 4.19. Desg aste del carri l exterio r en las cu rvas

Las fisuras y dos desgastes de los carriles deben controlarse. Un carril puede seguir siendo utilizable, siempre que estos defectos no sobrepasen unos valores máximos . Para ello se real izan controles tanto en fáb rica, como en vía. Los defectos internos se detectan por ultrasonidos (bien en fábrica , o mediante máquinas auscultadoras de vía) y los desgastes mediante técnicas láser.

7. DURACiÓN. La duración del carril depende de su proceso de desgaste, que a su vez depende principalmente del tráfico. Los criterios existentes para definir la vida útil de un carril se basan en permitir que el carril siga en servicio hasta que esté en su límite de resistencia a flex ión sin sufrir deformaci ones importantes. Un carril puede durar entre 20 (tráfico muy intenso) y 40 (tráfico débil) años en servicio. En general, los criterios para limitar la vida útil de carril coinciden en los siguientes aspectos: •

Las tensiones no deben superar los 15 kg I mm2 .

•

La pérdida de peso no debe ser superior al 20% del peso total del carril.

104

CA PíTUL O IV. - EL CARRIL •

Las deformaciones no deben ser ta n importantes que causen daños en elementos tales como suj eciones , juntas, etc.

Como ejemplo, puede citarse que para el carril UIC-54 se limita el desgaste vertical a 24 mm, el desgaste lateral a 18 mm y la suma de la mitad del desgaste lateral mas el desgaste vertical a 24 mm. Los sistema s para pro longar la vida útil de los ca rri les se utilizan sobre todo en las curvas , donde los desgastes son mayores, y consiste n en: •

Templado de la cabeza de los carriles: consiste en un tratamiento térmico de la cabeza en fábrica, lo que aumenta su dureza. Es muy caro y ya no se usa.

•

Debido a que el perfil de desgaste de los carriles exterior e interior en una curva es distinto, puede recurrirse a su cambio de posición, pasando los interiores al lado exterior y viceversa.

•

Engrasadores de pestana . Introducen un lubricante entre la pestana y la cara lateral del carril que disminuye el rozamiento entre ambos. También ayudan a facil itar el paso de los trenes por las curvas. Se instalan en un tramo de vía cuando tiene gran cantidad de curvas de radio reducido .

Figura 4.20 . Engrasador de pestañ a. El Ch orro (Málaga)

105

DISEÑO Y CA RACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA •

Utilizar ca rriles de aceros especiales, como el acero Hadfield, que con un contenido de mas de un 10% de manganeso, proporciona al carril una elevada dureza y una buena resistencia al desgaste. Estos tipos de aceros son utilizados en aparatos de vía, aunque presentan el problema de la soldabilidad , y además son muy caros.

Hoy en día , la práctica más extendida para prolongar la vida útil de los carriles es, simplemente, utilizar los más durables, es decir, los de mayor peso por metro lineal. En general , cuanto mayor sea el trafico más pesado debe ser el carril utilizado. Por ejemplo, si se siguen los criterios aconsejados por la ORE para los países integrados en la UIC, se tiene lo siguiente: Carriles recomendados por la ORE Tráfico

Carril recomendado

< 30.000 TBRldia

46 - 50 kg /m

30.000 - 60.000 TBRldia

50 - 60 kg/m (UIC-54)

> 60.000 TBRldia

Más de 60 kg/m (UIC-60 6 71 )

..

Tab la 4.1. Dimensionamiento del carn l en fu nclon del trafico

También existen diferentes formulas empíricas que relacionan el peso del ca rril con el trafico de la línea, la velocidad máxima de circulació n y la carga por eje de los vehículos, factores fundamentales de desgaste. Entre ellas se pu ede cita r la fórmula de Shajunianz:

q=a(I +T ''' )(I +O,O I2V)'

J ? l¡J

q ; peso del carril, en kg/m.

a = Parametro que toma un valor de 1,20 para el material remolcado y 1,13 para las locomotoras. T = trafico anual de la línea, en millones de ton eladas brutas.

v = velocidad maxima de circulación en km/h. P = carga maxima por eje del vehículo, en toneladas.

106

CAPiTULO V.- LAS TRAVIESAS

locomotora 319 remolcando un Talgo 111 Granada - Madrid. Moreda (Granada), 2005

107

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIA RIA

V. TRAVIESAS 1. FUNCIONES. 1.1. Traviesas . Normalmente se coloca una traviesa por cada 60 cm, lo que supone 1.666 traviesas por kilómetro de vía. Las funciones de las traviesas son las siguientes: 1. Servir de soporte a los carriles, para absorber y transm itir (minoradas ) las cargas del carri l al balasto.

2. Asegura r el mantenimiento del ancho de vía y proporcionar al carril la inclinación 1/20. Las traviesas tienen unos huecos con una forma especial, para que en ellos encaje el patín de los carriles y (a veces) las sujeciones. Por lo tanto, la forma y distancia entre estos huecos da la inclinación a los carriles y define el ancho de vía. En las traviesas de madera se consigue con el cajeado y en la s de hormigón con la forma que les da el molde.

3. Arriostrar la vía en todos los sentidos, proporcionándole estabilidad en los planos tanto ve rtical como horizontal. Su peso es lo más importante para cumplir esta función. 4. Aislamiento eléctrico, para evitar que la corriente eléctrica que circula por Jos carriles se derive a tierra.

1.2. Sujeciones. La s sujeciones son los elementos que mantienen unido el ca rril a las traviesas , y su misión

es absorber y transmitir correctamente los esfuerzos de todo tipo que circulan por los carriles a las traviesas. Por ello, el req uisito fundamental de la sujeción es que apriete el carril en todo momento, para que no se produzcan movi mientos del mismo con respecto a la traviesa. As í, deben garantizar el mantenimiento del ancho de via, evitar el vuelco del carril , asegurar el contacto entre el patín y la traviesa , impedir el movimiento longitudinal del carril yen caso 108

CAPiTULO V.- LAS TRAVIESAS de que sea necesario (traviesas poco aislantes), proporcionar el aislamiento eléctrico suficiente entre ambos hilos del carril (mediante la utilización de algunas piezas plásticas intercaladas). Se colocan más de 6.000 sujeciones en cada kilómetro de vía. Por ello, deben ser lo más senci llas posible, con pocas piezas y fáciles de fabricar, instalar y apretar, de colocación sencilla y precisa, de larga vida útil y fácil sustitución .

..

..

Figura 5.1. Carril con sujeción elástica sobre traviesa de hormigón. Espeluy (Jaén )

2. TIPOS DE TRAVIESAS Y SUJECIONES. 2.1. Traviesas. Las traviesas se clas ifican en función del material del que están hechas . Existen los sigu ientes tipos: •

Traviesas de madera .

•

Traviesas metálicas.

•

Traviesas de hormigón armado.

•

Traviesas de hormigón pretensado.

109

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

2.2. Sujeciones. Respecto a las sujeciones, las diferentes tipologías existentes se han ido desarrollando a la

vez que evolucionaron los diferentes tipos de traviesas, para conseguir los objetivos funcionales requeridos al conjunto a ambos elementos y a la propia vía, por lo que en los apartados siguientes serán explicadas junto a los distintos tipos de traviesas existentes. Se clasifican de tres maneras distintas, según sea la forma de anclaje a la traviesa: •

Directa: El elemento de anclaje a la traviesa es el mismo que proporciona el apriete del carril.

•

Indirecta: El carril se fija a una placa de asiento (en las traviesas de madera se suele llamar "cojinete") mediante un elemento, y la placa se ancla a la traviesa mediante otro elemento. La finalidad de esta placa de asien to es aumentar la superficie de contacto (para conseguir un mejor reparto de cargas) del carril sobre la traviesa (en traviesas de madera), mejorar el encaje de la sujeción en la traviesa (hormigón), aunque, según del malerial del que estén hechas también pueden contribuir a disminuir las vibraciones, aislar eléctricamente, etc.

•

Mixta. El ca rril se apoya sobre una placa de asiento. La placa de asiento se fija a la traviesa mediante los tirafondos de apriete y otros independientes.

DIRECTA

-.....-....... Cajeado

INDIRECTA

MIXTA

Elaboración : A. Tamayo (2005) Figura 5.2. Tipos de sujeciones según su unión a la traviesa

110

CAPiTULO V. - LAS TRAVIESAS Además, las sujeciones se dividen en rígidas y elásticas, en función de que la sujeción admita pequeños movimientos verticales del carril deformándose elasticamente o no.

Además , las sujeciones se dividen en rígidas y elásticas.

Al paso del material móvil se

produce un movimiento vertical (asiento de la vía), golpeteos, vibraciones y esfuerzos horizontales (en las curvas ). Frente a estas acciones, las sujeciones rígidas terminan por aflojarse, con lo cual la vía pierde su geometría. Sin embargo, las sujeciones el<3sticas admiten deformaciones elásticas, lo cual quiere decir que, a pesar de que en algún caso extremo se produzcan pequeños movimientos relativos (giro respecto al eje del carril por acciones horizontales en las curvas) entre traviesa y carril , éste siempre está apretado, y por lo tanto siempre vuelve a su sitio. De esta forma se evita el desplazamiento longitudinal del carril sobre las traviesas por los esfuerzos térmicos en la vía con barra larga soldada (BLS).

Figura 5.3. Via con traviesa pol iva lente de hormigón y sujeción elástica

Los principales tipos de sujeciones son los siguientes: En madera: Sujeciones rígidas directas:

Tirafondos.

Sujeciones elásticas directas:

Sujeción Nabla.

SujeCiones elásticas indirectas:

Sujeción SKL-12

111

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA En Hormigón: Sujecion es elásticas directas:

Sujeción RN. Sujeción P-2 Sujeción J-2 Sujeción Nabla

Sujeciones elásticas indirectas:

Sujeción HM Sujeción Vossloh

3. TRAVIESAS DE MADERA. Se han venido utilizando desde los inicios del ferrocarril. Se fabrican con maderas duras de muy buena calidad , principalmente roble o haya, aunque también se ha utilizado el pino. Actualmente la falta de madera es una de las principales causas de que se estén dejando de fabricar.

3.1. Dimensiones. Tienen forma de prisma rectangular, con las siguientes dimensiones: ancho: 24 cm , largo:

260 cm y canto: 12-13 cm.

Figura 5.4. Trav iesas de madera co n placas metálicas para cosido de fibras

112

CAPíTULO V.- LAS TRAVIESAS

3.2. Fabricación. Se trata de un largo proceso que consta de las siguientes fases: 1. Se elige un árbol sano (la madera no debe tener pudriciones ni nudos). 2. La madera se corta según la forma de la traviesa y se deja secar.

3. En los extremos de la traviesa se coloca un elemento que "cose" las fibra s. Puede ser una cinta metálica que funciona como abrazadera ó un elemento metálico que se

clava en las bases del prisma. Estos elementos de cosido impiden que la traviesa se agriete, al separarse las fibras de la madera por la presión de los carriles.

4. Se realiza el cajeado, que consiste en hacer unos cortes en la madera para que encajen los patines de los carriles. 5. Se practican los taladros para los tornillos de las sujeciones. 6. Creosotado: finalmente la madera se impregna de creosota , lo cual la protege frente al ataque de los in sectos xilófagos, evita que crezca la vegetación y forma una película que evita la absorción de agua. La creosota es una especie de aceite derivado del petróleo.

3.3. Ventajas . Entre las ventajas de las traviesas de madera destacan las siguientes: •

Son flexibles, lo que proporciona una rodadura suave y reduce las carg as que se transmiten a la plataforma , ya que al deformarse absorben más energía.

•

Son muy aislantes (eléctricamente), por lo que no hay necesidad de utilizar sujeciones aislantes.

•

Se puede real izar el cajeado en distintas posiciones, lo cual faci lita su empleo en los aparatos de vía.

3.4. Inconvenientes. Sus inconvenientes principales son:

113

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

•

Hoy en día, el principal inconveniente de las traviesas de madera es el elevado precio y la escasez de la madera de calidad .

•

Es dificil utilizar sujeciones elásticas con traviesas de madera , ya que se necesitan placas de asiento intermedias, lo cual complica y encarece la sujeción. Por lo tanto, la traviesa de madera no suele utilizarse en vía con BLS .

•

Otro gran inconveniente es que pesan poco, y por lo tanto no garantizan la estabilidad

de

la vía

cuando

se

circula

a grandes velocidades. No

son

recomendables para la instalación de vía en BLS, ya que su poco peso hace que no

sujeten bien la vía frente a los esfuerzos térmicos. Por ello no suelen instalarse en líneas de ferrocarril cuya velocidad de explotación sea superior a 160 km/h. •

Suelen tener una vida útil corta (alrededor de 20-25 años) Su deterioro es debido principalmente al tráfico , y se produce en el cajeado y en los taladros. El deterioro se produce porque, normalmente, la traviesa de madera va montada con sujeción rígida, que al ir aflojándose va agrandando el taladro , lo cual a su vez hace que se mueva el carril , que va deteriorando el cajeado. Esto hace que cada vez se produzcan mayores holguras que finalme nte echan a perder la geometría de la vía , el ancho de vía, etc.

•

Se ven afectadas por la climatología , el fuego, los insectos y la vegetación , que poco a poco van deteriorando la madera.

3.5. Utilización. Como consecuencia de las ventajas y desventajas descritas en los apartados anteriores , las traviesas de madera se utilizan en: •

Gran parte de las líneas de cualquier red ferroviaria cuentan todavía con traviesas de madera, ya que históricamente ha sido el material más utilizado y todavía no han sido renovadas.

•

Aparatos de vía (desvíos y travesías): debido a la facilidad de realizar el cajeado en distintas posiciones y a la flexibilidad que aportan a estas zonas de poca flexibilidad de la vía (debido a las grandes piezas rígidas que incluyen los aparatos de vía) .

114

CAPiTULO V.- LAS TRAVIESAS

•

En plataformas de poca capacidad portante: debido a que minimizan las cargas transmitidas a las capas inferiores.

•

En líneas que no se circule a grandes velocidades.

•

En lineas con vía con juntas.

Fuente: Normas RENFE Vía (N.R.V.) Figura 5.5. Sujeción rígida med iante tirafon dos

3.6 . Suj eciones. Las sujeciones empleadas en las traviesas de madera pueden ser rígidas (formadas por tirafondos y placas de asiento). o flexibles tipo Nabla ó SKL-12. Como se ha comentado

anteriormente, los si stemas de sujeción flexible aplicados a las traviesas de madera necesitan de placas y piezas adicionales. En las siguientes figu ras se muestran una sujeción rígida directa y una sujeción flexible mixta.

115

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

l RAV'EU OlE

09

z,ao.I).U. O.l'

TAAv,n .. O[ Z,60 , O,.U . O. , .. f'I.A(:,. ~ ~nCA

0'

I'ft ENCmfAIILf ao

PUoCA ruSTI CA MEloIONlABtL

~

01 !~:"~~~~ ~ ~ ~;l~~.o~, ~ 06

"~"'No n ...

Ul .

~

O ~ ~O~N~~R~ ..~..t;i~E~22 . 6S 0 4

T IIU~ O Il CO

0 3

C~IP

O.

1111 (! . 1 -180)

H. AST ICO HI - ' 2

f":;:':":::":.;':.c"'-':.:''--:. ---' : "'RIUt.L1C~ "

< <

•

O:: SC R ?CIO N

Fuente: Normas RENFE Via (N.R.V.) Figura 5.6. Sujeción elástica tipo SKL·12

4. TRAVIESAS METÁLICAS. Para consegu ir una mayor durabilidad y una via más resistente que con las traviesas de madera se ha venido investigando en nuevos tipos de traviesas, tanto en lo que a forma como a materiales se refiere. Históricamente, las traviesas metálicas fueron las primeras en ensayarse y utilizarse como alternativa ; después aparecieron las de hormigón. A continuación se describen las principales caracteristicas de las traviesas metálicas: •

Forma : sus secciones verticales (longitudinal y transversal) tienen forma de U invertida. Esta forma facilita que se claven en el balasto y den buena resistencia a la vía frente a esfuerzos horizontales.

11 6

CAPiTULO V.- LAS TRAVIESAS •

Se fabrican en hierro o acero.

•

Son ligeras, por lo que no sujetan bien la vía respecto a movimientos verticales, afectando a la nivelación.

•

Necesitan de sujeciones aislantes para cumplir con la condición de aislamiento eléctrico.

•

Necesitan de sujeciones con elementos elásticos para amortiguar ruidos y vibraciones.

•

Construcción fácil , rápida y barata.

•

Presentan problemas de corrosión.

Actualmente no se suele utilizar este tipo de traviesas, debido a su facilidad de corrosión, poca flexibilidad, poco peso y su elevado nivel de ru ido y vibraciones. En España se utilizaron en la línea Calatayud -Valencia del Ferrocarril Central de Aragón. Actualmente se utilizan en algunos desvíos, para instalar los motores de las agujas en su interior.

Fotografía: $. Moreno (2004)

Figura 5.7. Vía con traviesas metáli cas. Teruel

117

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERRO VIARIA

5. TRAVIESAS DE HORMIGÓN. A continuación del hierro, el hormigón fue el material elegido para sustituir a la madera. Se describe a continuaci ón la evolución de este tipo de traviesas.

5.1. Traviesas de horm igón armado monobloque. Las primeras travi esas eran de hormigón armado paralelepipédicas, de una sola pieza, lo que las convertía en unos bloques de gran rigidez. Esta rigidez resta flexibilidad a la vía y hace que no se amortigüe el contacto entre ca rril y traviesa.

1 Fuente: Lorente (2004)

Fig ura 5.8. Com portamiento de las t raviesa s de hormigón armado

Debido a las cargas de tráfico, el balasto se compacta en mayor proporción bajo los puntos

de apoyo del carril en la traviesa que en la parte central, dando lugar a unos asientos superiores en los extremos de la traviesa. Estos asientos generan unos momentos flectores negativos en el centro de la traviesa , los cuales llegan a fisurar el hormigón. Estas fisuras se van agrandando con las variaciones de las ca rgas (fenómenos de fatiga del material), y el agua de lluvia penetra en ellas oxidando las armaduras. Además , en el contacto carriltraviesa, estas últimas se rompen por los choques y vibraciones del patín sobre el hormigón.

5.2. Traviesas de hormigón armado bibloque. Para resolver los problemas causados por el momento negativo en el centro de las traviesas monolíticas, las investigaciones realizadas culminaron en unas traviesas formadas por dos bloques de hormigón armado en los extremos, unidos entre sí por un tirante de acero en sustitución del hormigón armado fisurable de la zona central.

118

CAPiTULO V.- LAS TRAVIESAS La estabilidad de las vías con traviesas bibloque es proporcionada principalmente por las dimensiones de los bloques: a mayor tamaño, mayor peso. Las dimensiones de la planta de los bloques también influyen en el reparto de cargas , y su canto en el empotramiento. Sin embargo, la rigidez vertical y horizontal de la vía puede verse reducida, ya que el tirante metálico puede deformarse, con lo que la vía pierde su nivelación, alineación , ancho de vía, etc. El riesgo de deformación aumenta cuando la corrosión afecta al tirante y con el ancho de vía. Así mismo, los bloques han de tener un peso mínimo, para garantizar la estabilidad

de la vía. En España el primer tipo normalizado de traviesas bibloq ue utilizadas por RENFE fueron las traviesas RS (en 1955). Los principales problemas de este tipo de traviesas estuvieron relacionados con la dificultad de aislar adecuadamente los carriles en las vías con circuitos eléctricos de señalización, así como su dificultad para mantener la geometría de la vía, si bien esos inconvenientes han sido resueltos en la actualidad, por lo que están volviendo a utilizarse. Para solucionar los problemas en el contacto carril-traviesa se utilizan sujeciones elásticas y láminas intermedias elásticas (caucho) de apoyo, lo que suaviza la dureza del contacto entre el acero y el hormigón. La utilización de estas sujeciones también las hace aptas para su uso en vía con BLS .

5.2.1. Ve ntajas e inconvenientes de las travi esas bibloque.

Como ventajas, duran en torno a los 40 años (siempre que no se vean severamente atacadas por la corrosión o sufran grandes deformaciones), pueden utilizarse para vía con BLS, ya que admiten sujeciones elásticas, se fabrican rápida y fácilmente y son mucho más baratas que las de madera. Sin embargo, presentan una serie de inconvenientes: •

El acero empleado en el tirante encarece su precio.

•

Tienen mucha menor rigidez que las traviesas monolíticas, por lo que pueden deformarse, lo que da lugar a variaciones en el ancho de vía, inclinación de los carri les y pérdida de geometría de la vía.

•

Pueden dar lugar a fallos de aislamiento eléctrico. Si el bloque se fisura o se deterioran los elementos aislantes, la corriente pasará de los carriles a los tirafondos,

119

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

de éstos a las armaduras y de ellas a la riostra , con lo cual los circuitos eléctricos de seFialización no funcionarán adecuadamente y se producirán derivaciones de corriente a tierra. En los nuevos modelos este problema ha quedado solventado mediante el empleo de sujeciones Nabla , que mejoran las condiciones de aislamiento. •

Como la superficie de contacto de la traviesa con el balasto es pequeña, las cargas que se transmiten a la plataforma son elevadas. No se deben utilizar en plataformas inestables y de poca capacidad portante.

•

En las operaciones de bateo de la vía, ésta se deforma mucho al levantarla, ya que la riostra puede doblarse.

•

No son recomendables para velocidades mayores de 160 km/h.

•

Se comportan mal en los descarrilamientos, ya que al ser menos robustas, la vía sufre mayores desperfectos.

•

Existe peligro de corrosión de las riostras, por lo que no son adecuadas en ambientes húmedos, como en túneles.

5.2.2. Utilizaci ón . La traviesa bibloque (modelo RS) se encuentra instalada en gran parte de la red ferroviaria española. Durante unos años dejó de utilizarse, pero el desarrollo de nuevos modelos que ofrecen un mejor comportamiento ha hecho que en la actualidad se estén empleando de nuevo, aunque no masivamente (principalmente en renovaciones de vía en líneas con velocidad de circulación inferior a 160 km/h). Otro campo de aplicación importante es en la ví a en placa , ya que a veces se utilizan traviesas bibloque embebidas en la losa de hormigón. Los modelos de traviesas bibloque existentes en las vías actuales son los siguientes: •

Modelo RS y BR-94 para vía ancha (carril UIC-54 y RN -45).

•

Modelo PB -91 , polivalentes (carril UIC-54 y RN-45).

120

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

IX. BIBLIOGRAFíA.

•

ADIF - Administrador de Infraestructuras Ferroviarias (2005 ). Declaración sobre la

red •

AYMERICH , M. , COLOMER, J., IBEAS, A., IZQUI ERDO, R., MENENDEZ, J.M ., MONZON , A., ROBUSTE , F., TURRO, M. Y ZARAGOZA, A. (2001). Transportes. Un enfoque

integral.

Madrid:

editor

Rafael

Izquierda.

C. I.C.C.P.

Servicio

de

Publicaciones. Colecci ón Escuelas. •

Cátedra de Ferrocarriles de la E .T .S.!.

de Caminos, Canales y P uertos de la

Universidad Politécnica de Madrid. Apuntes de Clase de la As ignatura de

Ferrocarriles. Curso 1999·2000. (paper) •

GARCiA, J-M. (1999). Ferrocarriles. Apuntes de Clase. Cátedra de Ferrocarriles de la E.T.S.1. de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Cantabria. (paper).

•

GI F - Gestor de Infraestructuras Ferroviari as (2003 ). Sistema de aseguramiento de la calidad. Pliego de prescripciones técnicas tipo para los proyectos de plataforma .

•

LAMMING, C. (2003). La adherencia. Paso a Nivel, n' 6, pp. 5-11. Editor: Manuel Mas Martinez. I.S.S.N: 1695-5854.

•

LORENTE, J. (2004). Apuntes de Ferrocarriles. Granada: E.T.S.1. de Caminos, Canales y Puertos. (paper).

208

•

LOSADA (1998). Curso de Ferrocarriles.

•

LOZANO, P. (2004). El libro del tren. Madrid: OBERON Grupo Anaya , S.A.

•

RENFE (2004). Datos estadisticos 2001-2002-2003

•

RENFE. UN Mantenimiento de Infraestructura . Normas N.R. V.

•

TRANSFESA (2002). Los Costes de Explotación de la Infraestructura Ferroviaria

CAPíTULO V. - LAS TRA V/ESAS

•

Modelo Stedef en vía hormigonada, para vía ancha, internacional y polivalente

(carriles UIC-54 y UIC-60). En la construcción de lineas nuevas sólo se permiten las traviesas BR-94, PB-91 Y tipo

Stedel.

Figura 5.9. Traviesas RS y monobloque poliva lente

Traviesa RS. La traviesa de hormigón RS fue mu y utilizada por RENFE, con sujeción elástica RN , en

sustituci ón por las traviesas de madera con sujeción rígida de tirafondos , con unos servicios aceptables. Sin embargo, el aumento de la velocidad de circu lación y de las cargas, han

aconsejado implantar otros modelos como la BR-94 y la PB-91 . Las traviesas RS , para via ancha, se consideran ya a extinguir, y en general sólo pueden ser empleados en

repa raciones de vías armadas con ellas o en operaciones de mantenimiento de vías que las posean . Las traviesas RS pueden presentarse con sujeciones RN y P·2 o con sujeciones J·2 (estas últimas resuelven los problemas de mantenimiento del ancho de la vía y de aislamiento eléctrico; la sujeción P-2 sólo llegó a resolver el problema de aislamiento de la vía). •

La sujeción RN tenía un casquillo aislante para el aislamiento en el taladro del torn illo, junto a la placa de asiento y a un sector de caucho en el lateral.

121

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA TRAVI ESA BlBLQ9yE TI PO R $ , CARRIL UIC·~4

1-'"- 1

FT\

~ 1

'

AL ZADO- SE htlSECClón

.

-

•

Fuente: Normas RENFE Via (N .RV.) Figura 5.10. Traviesa bibloque t ipo RS

•

La sujeción P-2 es una variante de la RN , disenada para resolver los problemas de mantenimiento invariable del ancho de la vía y de asila miento eléctrico de los carriles. No llegó a solventar bien el problema de mantenimiento del ancho y se considera a extinguir. Se colocaron unas piezas aislantes de poliamida o resina

acetalica bajo una lámina elástica. •

La sujeción J-2 es una variante de la RN que tiene en cuenta las modificaciones introducidas en la P-2. Resuelve el problema de mantenimiento del ancho, al mejorar el comportamiento de la fijación ante las solicitaciones de fatiga debidas a la acción conju nta de la fuerza de apriete de las cargas de la vía, garantizándose así la invariabilidad del ancho (si las traviesas están en buenas condiciones y la riostra en pertecto estado).

122

CAPíTULO V.- LAS TRA V/ESAS ..sUJECi ÓN RN PARA TRAVIESA 81BLOOUE T IPO R.S . CARRIL Ule-54 POS tCiÓN DE MONTA JE

.,.~

Fuente: Normas RENFE Vía (N.RV.)

Fig ura 5.11. Sujeción RN para traviesa R$ SUJEClOII,J.2 PARA TlIAV IESA TIPO R.S . CARftIL UU;-!lo4 POSICIOH DE MONTAJE _ J'.;

...

_.~,

t Fuente: Normas RENFE Vía (N.R.V. )

Figura 5.12. Sujeción J·2 para traviesa RS

123

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA Traviesa BR -94.

Deriva de la PB-91 , Y sustituye a dicha traviesa en líneas en las cuales no hay previsión de cambio de ancho, ya que sólo admite situar los carriles a la distancia del ancho ibérico. Se emplean en rehabilitaciones progresivas de vías , y excepcionalmente , en algunas renovaciones de vía, cuando se proyectan con traviesas bibloque de hormigón . Respecto a la RS , en las traviesas BR-94 las sujeciones RN son sustituidas por la sujeción Nabla, que resuelve los defectos relativos al aislamiento eléctrico de los carriles y a la inalterabilidad del ancho de vía, y la riostra de perfil T invertida que utilizaban las RS es sustitu ida por un perfil angular de dos lad os iguales (le proporciona más rigidez vertical y lateral). La traviesa BR-94 difiere además de la RS en varios aspectos: se fabrican dejando embebidas en su masa las vainas de los tirafondos o los muelles helicoidales de la PB-91 (lo que mejora su aislamiento, comportamiento mecánico y durabilidad ). Los topes aislantes laterales de la sujeción Nabla dan juego para proporcionar diferentes sobreanchos en las alineaciones curvas de pequeño rad io y permiten el montaje de diversos perfiles de carril en una misma travi esa (basta cambiar los topes con la condición de que conserven el valor de [a suma de los dos). TRAVIESA SR-94 CARRIL RN-4~ Y UlC-64

. ...

~ffi -":--: -< ¡.

il

-'---

~

_=.J._",j .~-Al Zl OO - SEIoI ISE CCIOII

.. ., ., ;

_'" 1

I

.. I

..,

-

•u....,OO: ...

..

<¡,' -:

7}

~

-+-

c..........

j....

PLANTA

Fuente: Normas RENFE Vía (N. R.V.) Figura 5.13. Traviesa BR-94

124

l~:'·~:::'

.,.,.I<,""

-L.

Lo.

I --12-.._

'''0

w..·t= ...."....c,....

, , .O~1'1 ,-, ~ ...."". ... 11' .. .u.. ...... l

r---~ ~

; 1-

., lOH

9

',f1;m ~ ~

o

""1,

~

¡.~~

CAPíTULO V. - LAS TRAVIESAS TRAVI ESA BR-94

SUJEC iÓN ELÁSTI CA NABLA

MONT AJE DE LA SUJ ECiÓN

--- ----

;_....

~

____

~---I ~ _-

_ _

' Of' Il! S L .~TE

' 1 ¡""-4 $ f TOO'[ . \Sl ¡¡¡¡f[ e' iU1<;-541

""

;..l''':''-

__ '. 2 U ,lI$

Ul t'tO~ [JI f[ .

-"

,, ~

_~~= !J:-==:::-J

-

1_

- ~

Fuente: Normas RENFE Vía (N.R.V. )

Figura 5.14. Suj eción elástica Nabla en traviesa BR-94

Traviesa PB-91 .

Es una trav iesa polivalente, es decir que admite dos anchos de vía (ibérico e internacional) . Se redujo la altura de sus bloques para poder ser intercalada con traviesas de madera. La estructura de la traviesa es semejante a la BR-94 y se emplea asimismo la sujeción Nabl a. Como la BR-94, lleva topes para proporcionar diferentes sobreanchos en las curvas de

pequeño rad io y cuando se intercalan con traviesas de madera en rehabilitaci ones progresivas de vías. Estas traviesas llevan tirafondos y tapones có nicos de plástico para

tapar los taladros que no se usan.

125

DISEÑO Y CARA C TERiSTlCAS DE LA V/A FERRO VIARIA TRAVIESA POLIVALENTE PB-91 CARRIL RN·4:) Y CARRL OIC -~

"*'

- - ~~.

-JO

Lo

.. ""

-'"

~M ~i -"'-i~ ~ ./ : ª~ ,' f

1.

[J i . ....

- r

.,

_• ..1.

r

.~--

'»,,,"

-'.

,~ -

S[ II I- S[C CIÓ" [N .. u ~oo

: :~~ _~ ":~: t:~ ::::~ t.''''''

:"-111. :!

: ~ l.llll. T. {~.;" ":;~::~:::::~:;:;:':l-.:':"" 1~.~ . ~~J {- ~-

-1

_ _

-

:

0 - ·

I

1.....,.

•

'·

I-!.I

. Pl l~T"

~.H . "'!..

--o

"",.,,,.

~

I

g di ~

"

,',

---J~

'\''L-:--

-w.í~

~¡ }! ~

<;>

-

"

__ J -

I ..l.

~-~

"O ,. " .. ~o

Fuente: Normas RENFE Vía (N.R.V. )

Fig ura 5.15. Traviesa PB·91

':'~':":""'::7r)t2 ' ..~:::.:~:, ~

;;::::~~~<:"': k""l31 : . '\,l

, ""'" """'""

1·"~·· '

.15!""'"''''''

í

EN

POS lelON OE 1oI0NTA JE

. . . . . . . . . .7..:.

~

,>

SEc tlO ~

TRA'-'I ESA POLIVALENTE P!l-91 CARR IL R~~ 'f CARRIL UIC-!l 4

! ' ~~

:~ ?(:t. ..···f.'.

UZ~ tlO ~.~

"'X" "L....:"

- '...

~

~- -

"'X" ~ ", ~ "

j

'UK

>_•• ",_.~ . ,,,, ,~~

1

- '_ . -

.:

u

•

.

"

Ir

_ ~1 I

I

- '-

r

. ..

--' Fuente: Normas RENFE Vía (N.R.V.)

Figura 5.16. Sujeción Nabla en traviesa PB-91

126

. ~~k ',,,

"'" ¡¡:

•••

~,

I. -t

co·u t,

~ ~-S·

HeclON EN ALlAOO B-e ...A!'< . . ......1-',

_4

"

"" .

-

-~.

CAPíTULO V. - LAS TRA VIESAS

Traviesa STEDEF. Este tipo de traviesa deriva de la RS y tiene una forma similar. Se utiliza para vías sin balasto (vía en placa). Se introducen unas cazoletas de caucho en la mitad inferior de cada

una de sus cabezas y que llevan en su fondo un colchón de material elastómero para aumentar la flexibi lidad de la vía y disminuir el ru ido y la vi bración al paso de los trenes. Utiliza la sujeción tipo Nabla, con algunas variantes respecto a las empleadas en las traviesas SR y PB. Se utilizan sobre todo en redes de metro, estaciones y túneles. Existen modelos monovalentes, polivalentes y para alta velocidad. ~

~ l.

. '.

TRAVIESA MONOVAlENTE STEOEF

i---Jt ·...,

-1--;: ~ ,'' ' I~ _---:::i. !~-'. '1

----.!?-

¡ I ~

~

.., r··

I

~;¡""r-~-~~J~~~

* I

I

M' - - -oc-''''

.,' ~l

.g. . .

CARRIL

UIC-~4

YC ARRIL.UlC-60

-'''--'I

~-.

¡~~- ~ r- -_

==T.

1

~~

·l-.JJ

",,-,.L, L '9>_ _

Z ~OO-$EN I SECCIO~

__ I$Or • ...,.o ·t.n

'- Fuente: Normas RENFE Via (N.R.V.) Figu ra 5.17. Traviesa mon ovalente tipo STEDEF

5.3. Traviesas monob loque de hormigón pretensado. Los problemas de fisuración en las primeras traviesas monolíticas de hormigón armado motivaron

que se llevaran a cabo numerosos estudios para determinar la solución

estructural óptima para estos tipos de traviesas. En la actualidad, la manera de resolver el problema ha consistido en dar a la superficie de apoyo de los carriles una mayor anchura que a la parte central, de forma que esta disminución del ancho hace que la superficie de

127

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA apoyo de la traviesa sobre el balasto sea más pequeña en la zona central (dentro de unos límites aconsejables) y en consecuencia también el momento flector negativo y la compactación diferencial del balasto. Esa zona centra l se deja además con el menor canto estricto, introduciéndose fina lmente una acción de pretensado a la traviesa tal que se eviten los posibles problemas de fisuración (el hormigón estará siempre comprimido). Así pues, la forma de estas traviesas es la de un bloque prismático con ligeras variaciones en su sección a lo largo de su longitud. En España las traviesas de hormigón pretensado comenzaron a instalarse a partir de 1981.

.

. -,

~~

tE;f3±F@F+-Hrtr-f·f fE Fuente : Normas RENFE Via (N.R. V. )

Figura 5.18. Forma de las traviesas monobloques de hormigón pretensado

5.3.1. Ventajas e inconvenientes. Como ventajas pueden citarse las siguientes: •

Debido a su gran peso y dimensiones, proporciona a la vía una excelente sujeción longitudinal y transversal , por 10 que favorecen la conservación de la geometría de la vía, disminuyendo las necesidades de mantenimiento.

•

Mantienen muy bien el ancho de vía

•

Son muy recomendables para utilizar en túneles y ambientes húmedos, ya que resisten muy bien los ataques del entorno (el pretensazo evita las grietas y con ello protege del ataque de la humedad, vegetación , etc. ).

•

128

Admiten un amplio abanico de sujeciones.

CAPiTULO V.- LAS TRAVIESAS •

Son ideales para la vía en BLS.

•

Son aptas para grandes cargas y velocidades (son las utilizadas en las líneas de Alta Velocidad)

•

Tienen una gran duración, en torno a los 50 años.

Fotografía: Larente (2004) Figura 5.19. Traviesas monobloque PR-90 con sujeciones elasticas

Como inconvenientes se encuentran: •

Su elevado coste de fabricación.

•

Al ser tan

pesadas requieren el empleo de maquinaria especial

para su

manipulación. •

Al ser tan rígidas , requieren un mayor espesor de balasto, con el objeto de dotar a la

vía de una flexibi lidad adecuada y de disminuir las ten siones que llegan a la plataforma .

129

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA •

En cualquier caso, la rigidez introducida con el empleo de estos tipos de traviesas en

comparación con las de madera debe quedar compensada con la utilización de elementos flexibles en el asiento de los carril es sobre éstas y en las sujeciones entre trav iesa y carril.

5.3.2. Utilización.

Las traviesas de hormigón monobloque se utilizan en las lineas de nueva construcción (convencionales y de alta velocidad ), en muchas renovaciones de líneas, en vía en placa y

en ambientes especialmente agresivos (zonas húmedas, túneles, etc.). Su campo de aplicación más universal es en la vía con BLS. Los modelos existentes en las vías actuales son los siguientes: •

Modelo DW (para carril UIC-54 y UIC-60): se considera a extinguir.

•

MR-93 (para carril UIC-54 y UIC-60).

•

AI -88 (para carril UIC-60): se considera a extinguir.

•

AI-89 (para carri l UIC-45 y UIC-60).

•

Modelo PR-90, polivalente (carril UIC-54 y UIC-60).

En la construcción de lineas nuevas sólo se permiten las traviesas AI-B9 , MR-93 Y PR-90. Las traviesas monobloque son principalmente empleadas en vías montadas con barras largas soldadas de los modelos UIC-54 y UIC-60.

5.3.3. Sujeciones para traviesas monobloque. Como ya se ha comentado, la evolución de las sujeciones está asociada a la necesidad de cumplir con unos objetivos relacionados con el conjunto de la vía, y por lo tanto éstas han ido cambiando con los tipos de traviesas. Debido a la rigidez de las traviesas monobloque, las sujeciones deben ser elásticas, caracte rística que además es imprescindible en las vías sin juntas.

130

CA PíTULO V. - LAS TRAVIESAS

Para mejorar el contacto carril-traviesa de hormigón se inte rponen entre ambos unos elementos intermedios, las placas de asiento. Las placas de asiento deben cumpli r con una serie de funciones : •

Disminuir la rigidez de la vía , ya que tienen una cierta elasticidad.

•

Aislar eléctricamente el carril.

•

Servir de relación entre carril y traviesa (suavizar el contacto para amortiguar choques, ruidos y vibraciones).

•

Contribuir a la correcta posición del ca rril (en relación a la inclinación y al ancho de

vial· •

Contribuir a evitar los desplazamientos longitudinales del carril.

Los sobreanchos de vía se cons iguen utilizando placas acodadas de diferentes dimensiones (varían el ancho en 2,5 mm en cada una de sus combinaciones).

5.3.4. Tipos de tra viesas monobloque y sujeciones que utilizan. Debido a las fu ncion es particulares de cada tipo de tra vi esa y evolución en su diseño, cada traviesa utiliza un sistema de sujeción diferente: Travíesa DW. RENFE utilizó durante muchos años el tipo de traviesa DW con sujeción elástica directa tipo HM como sustitución de las traviesas de madera con sujeción rígida. Dieron buenos servicios en vías con juntas, pero no fue así en vías sin juntas. Por ello, junto al aumento de la velocidad de circulación y del peso ferroviario, se comenzaron a desarrollar otros tipos de traviesas. Sólo es válida para vía ancha y se considera a extinguir, pues es sustituida por la tra viesa MR-93 en las operaciones de repa raciones o mantenimiento de vías. La sujeción que se empleaba era tipo HM, cuyos elementos principales son: placa acodada metálica sobre plantilla aislante , tirafondo, placa elástica de asiento del carril y cl ip elástico SKL-1 de acero. Las traviesas llevan embebidas una espiga roscada para el alojamiento de los tirafondos .

131

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERRO VIA RIA

TRAVIESA MONOBLOQUE TIPO DW lA EXTINGUIR) PARA CARRIL UIC- 60

fJtT,-" , I I

.

.

2. . 6<10

~i I

Fuente: Normas RENFE Vía (N.R.v.) Figura 5.20. Traviesa monobloque tipo DW

ro ...

1

0 .. ···.. Ttcco . ..,o / '0''' ..., .. ,"'."

Fuente: Normas RENFE Vía (N.RV)

Figura 5.21. Sujeción elástica HM para traviesa DW

132

CAPiTULO V.- LAS TRAVIESAS Traviesa MR-93. Sustituye a la DW y se emplea en vía nueva, en mantenimiento o en modificaciones de vías.

Difieren en función del carril a emplear (superficie zona de apoyo del carril). Al igual que las anteriores, llevan embebidas espigas roscadas de inserción del tirafondo.

En este tipo de traviesa se utiliza la sujeción Vossloh. Los elementos son similares a los de la sujeción HM , con algunas modificaciones. Así , las placas acodadas son de mayor espesor

y fabricadas con plástico (poliamida con refuerzo de fibra de vidrio) en vez de metal , eliminándose así la lámina aislante bajo ella, se añaden lengüetas a la placa de asiento y una arandela entre el tirafondo y el clip. TRAVIESA NOMOSLoaUE

,

¿

RENFE

r,jR-93 PARA CARR I L UIC -60

-{rn I

• '29

SUJECION VOSSLOH P.c.RA TRAVIESA IoIR-9 3

CARR IL UIC 54 y UIC so POSICIO N OE WONTAJE

I

,-

: /~

-1- - -

~

. ¡)

,

~

~ r-

~I

I

.1.

-tmJ---:' " o • o

•

~

,1

I _

- !I - L~ ,

I

,

1

Fuente: Normas RENFE Vía (N. R.V.) Figura 5.22. Traviesa MR-93 y sujeción Vossloh

133

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Traviesa AI·88. Son traviesas que sólo se emplean para ancho internacional. La traviesa Al-SS es un tipo de traviesa de transición a la AI-S9, con dimensiones generales iguales a las traviesas DW y MR-93, fabricada con los mismos moldes que la DW y con armadura postensada. Lleva sujeción HM (con placa acodada metálica) en una de sus cabezas y Vossloh (con placa acodada de plástico) en la otra. Con ello se pretendía mejorar el aislamiento eléctrico, a la vez que no encarecer demasiado la sujeción (pues la placa de plástico entonces era más cara que la metálica). Traviesa AI·89. Tiene dimensiones similares a las DW y MR-93 (se modifica la geometria en la zona exterior de las cabezas) y se fabrican tanto con armaduras pretensadas como postensadas. Lleva sujeción HM en una de sus cabezas y Vossloh en la otra. Las placas acodadas de plástico son iguales que las empleadas en las traviesas AI·88 y MR· 93.

~."",

SUJECIOH 11h1 Y VOS SI..OH PARA TRAV IES AS Al-89 CARRIL UIC ~"1 y U1C 60 POSICION OE hlONTAJE

Fuente: Normas RENFE Via (N.RV.) Figura 5.23. Sujeción HM y Vossloh en traviesa AI-89

134

CAPíTULO V. - LAS TRAVIESAS

Traviesa PR -90. Son traviesas polivalentes, que pueden ser empleadas indi stintamente para vía de ancho ibérico o internacional. Se utilizan cuando esta previsto transformar la vía al ancho

internacional en un futuro. Son manufacturadas por distintas fabricas , con diferentes dimensiones y con armadura pretensada o postensada, según los modelos . Las sujeciones que se emp lean en estas traviesas son tipo Vossloh , con piezas análogas a la MR-93 y con las mismas funciones. Se utilizan piezas suplementarias para tapar los

huecos correspondientes al ancho de vía no utilizado. Las placas acodadas tienen diferentes formas y dimensiones para permitir el acoplamiento de los patines para diferentes tipos de

carril (UIC-54 y 60) en las posiciones de los dos anchos de via.

TRAVIESA MONOBLOQUE POLIVALENTE-RENFE T I PO PR-90 ·PA RA CARRIL UIC-54 y UIC- 6 0

r1t[t I

2 . 600

Fuente: Normas RENFE V ia (N.R.V.) Figura 5.24. Traviesa tipo PR·90

135

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA SUJECION VO SSI,.OH ?ARA TRAV IESA MONO BLOOI.lE

?OLlVALENH. PR -gO . S. N. y E. 8 . POSte ION DE MONTAJE

Fuente: Normas RENFE Via (N.R.v.) Figura 5.25. Sujeción Vossloh para traviesa tipo PR-90

CUADRO SINOPTICO DE TRAVIESAS MONOBLOQUE DE HOAMIGON y DE SUS SUJECIONES

TRAVIESA

"""'

ESf'IGAS ROSCADAS

SUJEC ION

TIRAfONDOS

DE TESADO

POSTESADO

UIC 54 YUlC 150

CORTA y CON FO 'l DO

M"

'"

PROCEDIM IENTO

cm (A EXTINGUIR)

LARGA y PASANTE

"IR ·93

PRETESADO

.." .."

POSTESADO

~" ""' ·90SN

PRETESADO POSTESADO

ule 54 YUle 150

PA·90EA TRAVlPOS

PRETESADO

UIC 511 YUIC 60

PA·90EA ALVlSTRANVI

f>RETESAOO

POSTESAOO

ule 54 'rUle 150

SdU21.PA SANTE

ule 60

SdU 20. CON FONDO

VOSSLOH

'"

"

~.

"

VOSSLOH

H" 9 CON ARANDELA Uls 7

"

l Sdu 20 (ó Sdíi 21) 3 Sd~ 21 . PASANTES

VOSSLOti

N~

"

4 SdU 21

VOSSLOH

SdU 20. CON FONDO

POSTESAOO

---MM

---VOSSLOH

1 S<:!(i 20. CON FONDO 3 Sdu 21 . PASANTES

UIC 511 YUIC 60

SOBREANCHOS

"

MM

~=~

UIC 54 YUlC ISO

- EN AUNEAClON RECTA y CURVAS oe R>250m • ESPECIALE S EN

/1" SI CON ARANDELA Uls7

( A EXTINGUIR)

PRETESADO

PLACAS ACODADAS

9CON ARANDELA

UIs7

N? 9CON ARANOELA

UIs7

"

Fuente: Normas RENFE Vía (N.RV) Figura 5.26. Cuadro resumen de las traviesas mono bloque de hormigón con sus sujeciones

136

CAPiTULO VI. LA CONTINUIDAD DE LA ViA

Automotor 592 cubriendo un servicio Algeciras-Granada en Archidona (Málaga). Mayo de 2005.

137

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

VI. LA CONTINUIDAD DE LA VíA 1. LA VíA CON JUNTAS. 1.1. Definición. Las juntas son las separaciones entre dos carriles sucesivos y constituyen, por los grandes

esfuerzos dinámicos que aparecen (las ruedas chocan con el extremo de los carriles al pasar de uno a otro), un punto débil de la vía.

Figura 6.1. Via con traviesa de madera: detalles de junta y sujeción rigida

Debido a Jos choques se producen desgastes excesivos en los carriles y elementos del

sistema de embridaje, roturas, pérdidas de alineación, rodadura e incomodidad a los viajeros.

138

aumento de la resistencia a la

CAPiTULO VI. LA CONTINUIDAD DE LA ViA

Figu ra 6.2. Via con defo rm aciones en las j untas . Fu ente del Arco (Badajoz), 200 5

1.2. El embridaje . Se llama embridaje al conjunto de piezas que hace posible la unión física de los dos extremos de los carriles, de tal forma que se garantice la continuidad de la vía a pesar de la separación que existe entre ellos, llamada "cala", Los elementos que integran el embridaje son:

•

Las bridas: son el elemento fundamenta l de la unión. Consisten en dos piezas metálicas alargadas con taladros para atorni llarlas al alma de los carriles .

•

Tornillos: suelen llevar cuatro.

•

Tuercas y arandelas. Las tuercas se colocan por el interior.

•

Forros: son unas láminas que pueden in tercalarse entre la' brida y el carril para mejorar el apriete .

•

Elementos de conexión ó aislamiento: si se quiere garantizar la conductividad eléctrica de la junta se sueldan unos cables de cobre al alma de los ca rriles. Si se quiere asegurar su aislamiento, se interponen piezas con elementos aislantes de madera o plástico entre las bridas y los carriles y en la cala .

139

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Figura 6.3. Sistem a de embridaj e de una j u nta

El embridaje debe cumplir las siguientes exigencias: •

Debe solidarizar los ca rri les de forma que se comporten como una viga continua en planta y en alzado. De esta forma se garantiza la continuidad geométrica de la vía.

•

Debe tener una res istencia a la deformación similar a la de los dos carriles que empalma.

•

Debe permitir la dilatación de los ca rriles pero impidiendo movimientos relativos verticales y transversales, únicamente debe permitir los movimientos longitudinales. Para ello, los taladros tienen un diámetro superior al de los tornillos.

•

La dilatación de los carriles se permite por las holguras de los agujeros que presenta el carril en los extremos para el paso de los tornillos de las bridas. El contacto de las bridas y el carril se real iza en la cabeza y el patín , dejando libre el alma, para reducir los desgastes en esta zo na .

Figura : Losada (1984) Figura 6.4. Movimiento en las juntas y zonas de desgaste

140

CAPíTULO VI. LA CONTINUIDAD DE LA VíA En carriles y bridas los esfuerzos dinan .:C05 y los choques en las juntas pueden producir

movimientos relativos en los carriles, que a su vez producen importantes desgastes en ambas partes. El apriete de los tornillos es un factor de gran importancia . Un mayor apriete de los tornillos mejora el comportamiento mecánico de la junta, pero dificulta la dilatación de los carriles , dando lugar a la aparición de grandes tensiones.

1.3. El apoyo de las juntas. Las juntas tienen un problema añadido, y es que su apoyo sobre el balasto también suele ser problemático, debido a que las inestabilidades que en ellas se producen se transm iten hacia las capas inferiores. Se describen a continuación las formas de apoyar una junta: •

Junta apoyada simple. Los dos carriles se apoyan sobre la misma traviesa.

Fuente: Lorente (2004)

Figura 6.5. Junta simplemente apo yada

Tiene el problema del ubaile de la traviesa

ft :

al pasar la rueda , la traviesa en un primer

momento gira en un sentido, pero al avanzar la rueda , se apoya en el otro lado de la traviesa y la hace girar en el sentido contrario. Esto hace que la traviesa se mueva en el balasto, produciendo falsos apoyos que pueden ser peligrosos. •

Junta suspendida. La junta se dispone entre dos traviesas contiguas . Esta forma produce

grandes deformaciones debido a

los esfuerzos

de

flexión.

Estas

deformaciones producen desgastes, deformaciones permanentes y el aflojamiento del embridaje.

Fuente: Lorente (2004)

Figura 6.6. Junta suspendida

141

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA •

Junta doblemente apoyada. Es la más rígida y la que tiene un mejor comportamiento, pero presenta el inconveniente de que produce zonas muy difíciles de batear (por lo pesado que es levantar la vía con dos traviesas juntas y por que no hay espacio para

que actúen los bates de la batead ora), por lo que es difícil mantener la misma elasticidad que en los tramos de v ía anterior y posterior a la misma . Es la disposición más usada.

Fuente: Lorente (2004) Fi gura 6.7. J unta dob lem ente apoyada

2. LA VíA SIN JUNTAS. 2.1 . Definición. Las juntas han sido siempre el punto débil de la vía, tanto para el material móvil como para

la superestructura, y la comodidad del viajero. La posibilidad de eliminarlas siempre ha estado entre los objetivos de las compañías ferroviarias , pero hasta hace relativamente poco tiempo no se ha alcanzado el nivel tecnológico y de conocimientos sobre el comportamiento de la vía necesario para abordar satisfactoriamente el problema. Inicialmente existía miedo a la implantación del carril continuo soldado, ya que el carril era poco pesado, la calidad de las soldaduras era insuficiente y las uniones eran muy rígidas, por lo que no se confiaba mucho en resolver el problema de las juntas con la soldadura. Además, había que resolver el problema de los grandes movimientos de dilatación que teóricamente presentaría un carril de gran longitud. La solución llegó precisamente cuando se consiguió una vía lo suficientemente robusta como para no permitir la dilatacíón. Para ello se desarrollaron unas nuevas sujeciones de tal forma que las fuerzas de dilatación de los carriles se transmitieran a las traviesas , que al estar empotradas en el balasto, sujetan la vía en su lugar. A partir de mediados del siglo pasado se fue generalizando el uso de la vía sin juntas.

142

CAPiTULO VI. LA CONTINUIDAD DE LA ViA

2.2. Análisis teórico de la vía sin juntas. Las variaciones de temperatura producen variaciones en la longitud del carril, lo cual significa movimiento (si se deja moverse a la vía) ó tensiones (si se impide el movimiento). El carril y las traviesas deben moverse solidariamente por el efecto de las sujeciones, mientras que el balasto ejerce una reacción sobre la traviesa que se opone al desplazamiento longitudinal de la vía.

- - -.....~ Dilatación del carril

.. -

-

Reacción del balasto

Fuente: Lorente (2004) Figura 6.8. Comportam iento de la via al dilatarse

2.2.1. Cálculo de esfuerzos. Se analiza a continuación el comportamiento de un tramo de carril continuo soldado de longitud L. Los parámetros que caracterizan el comportamiento de la vía son: •

La sección del carril: S (cm 2 ).

•

El módulo de elasticidad del acero del carril: E (2,1' 106 kg/cm' ).

•

El coeficiente de dilatación del acero: a (10" 'C').

•

La resistencia de la vía frente al desplazamiento longitudinal: r (kg/m).

En condiciones de dilatación libre, el carril se dilatara una longitud:

M=LanT

143

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Por ejemplo, para una longitud de carril de 1.000 m y un aumento de temperatura de 20'C el incremento de longitud sería de 20 cm. Si se impide el movimiento de los carriles , aparecen las consiguientes tensiones térmicas en

cada uno de los dos carriles, de valor:

f'..L La f'..T u = EIi=E - =E =Ea f'..T L L Por lo tanto , la fuerza que aparece en el conjunto de los dos carriles:

F=2 Su= 2S E af'.. T Para el mencionado incremento de temperatura y carril UIC-54 (S = 70 cm 2 ), la fuerza es de

60 t. Es de destacar que ni las fuerzas ni las tensiones que aparecen en los carril es dependen de la longitud de vía que se suelda , sino únicamente de las características intrínsecas del carril

y de la variación de temperatura. La resistencia específica de la vía frente al desplazamiento longitudinal (alargamiento y acortamientos ) aumenta con el peso de la vía, el empotramiento de las traviesas en el

balasto y con la ca lidad del balasto, y se designa por la letra r. Por lo tanto, r depende del peso de carriles y traviesas, tipo de traviesa (forma y material) y angulosidad del balasto. R tiene un valor que oscila entre 500 a 1000 kg por metro lineal de vía . En el caso de tra viesas de madera y carril ligero, r es del orden de 500 kg/m. Para travi esas de hormigón bibloque, r es del orden de 750 kg/m, mientras que para las de

hormigón monobloque y carril pesado, r alcanza los 900-1000 kgl m. Esta resistencia es la que se opone al movimiento de la vía por los esfuerzos de dilatación de los carriles; si se supera , la vía se moverá. En un punto a una distancia L del inicio de la vía BLS, la resistencia de la vía será:

R ~'i(l

144

=r L

CAP/TULO VI. LA CONTINUIDAD DE LA VíA El punto de equilibrio se halla igualando la fuerza de dilatación de los carriles y la resistencia de la vía, obteniéndose así la longitud de respiración. Su valor es el siguiente:

,. L,

= 2 S E a !1T

L,

2 S E a !1T

r

El carril , a partir del punto de equilibrio, ya no se mueve , sino que se encuentra en tensión (compresión o tracción ). A la zona comprendida entre las dos longitudes de respiración se le

denomina u zona

neutra ~.

De nuevo la longitud de respiración no depende de la longitud de

carril soldado, sino tan solo de la variación de temperatura. Normalmente la longitud de respiración máxima mide del orden de 100 a 300 m (para una oscilación térmica anual de 50°C y traviesa de hormigón alcanza una longitud de 147 m). Por lo tanto , la distribución de tensiones térmicas en un carril soldado quedaría como muestra la figura 6.9. La ley de esfuerzos se obtiene multiplicando las tensiones anteriores por la sección de los dos carriles .

cr

------

/ LR

E a!1T

~I, LR

L

Fuente: Lorente (2004)

Figura 6.9. Distribución tensional de un tramo de via con BLS entre dos aparatos de dilatación

2.2.2. Cálculo de deformaciones. Por definición, en la longitud de respiración el esfuerzo térmico es mayor que la resistencia de la vía , y por lo tanto , ésta se mueve (precisamente por la liberación de tensiones que no puede soportar). A continuación se calcula dicho alargamiento. Para calcular el desplazamiento que experimentaría un punto de la vía situado a una distancia x medida a partir del inicio de la longitud de respiración, se calcula el desplazamiento correspondiente a un elemento diferencial de vía de longitud dx.

145

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

G

Fuente: Lorente (2004 )

Figura 6.10. Distribución de tensiones a lo largo de la longitud de respiración

Teniendo en cuenta la variación lineal de las tensiones a lo largo de la longitud de respiración, entre el valor nulo en el extremo y la tensión máxima anteriormente calculada al inicio de la zona neutra , la tensión en el ca rril a una distancia x es:

Por otra parte, siendo y la variación de longitud:

dy

u=Ec=E -

dx

Igualando térm inos:

-dy E aó T - x -E L,

dx

aó T dy = - - xdr

L,

Integrando y a lo largo de la longitud de respiración se obtiene el movimiento del extremo:

y= faóT xdx= aóT L~ = aóT L, 2 2 L, L, Este valor es la mitad del desplazamiento que tendría con una dilatación libre , resultado lógico, ya que el otro extremo se encuentra empotrado.

146

CAPíTULO VI. LA CONTINUIDAD DE LA VíA En general, el desplazamiento en cualquier punto x de la longitud de respiración viene dado por la ley parabólica:

a óT X ' y = ---

L,

2

Las leyes de tensiones y deformaciones a lo largo de un carril soldado son las siguientes:

(j

------

/

1'"

LR

"-

I

EaóT

LR

L

/ I

I

LR

I

L

LR Fuente: Lorente (2004)

Figura 6.11. Distribución de tensiones y movimientos de la vía con BLS

Es decir, si se suelda una vía con una longitud suficiente, en los extremos tiene menos dilatación que una barra con dilatación libre.

En . el centro del tramo (zona neutra) se

producirán fuertes tensiones, pero no desplazamientos. Estas tensiones pueden ser de compresión y muy fuertes si se producen incrementos térmicos elevados, por lo que la vía debe construirse con unas características dadas, para evitar que pandee. La zona neutra debe ser lo mas larga posible, para evitar las juntas. Por lo tanto , la vía en barra larga soldada solamente se mueve en los extremos, que deben estar lo más alejado posible.

147

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

2.2.3. Puntos singulares : extremos BLS y curvas En los extremos de un tramo de vía BLS no se colocan juntas, sino aparatos de dilatación, que permiten el desplazamiento relativo entre carriles sin causar tanta discontinuidad como

las juntas (tienen una resistencia y geometría similares a la vía normal ). Asimismo , la presencia de una curva hace que aumenten las posibilidades de pandeo de la

vía frente a los esfuerzos térmicos. Esto es así porque los esfuerzos que soporta la vía se suman en las curvas, dando lugar a una resultante radia l que puede mover la vía.

R

o

Elaboración : A. Tamayo (2005)

Figura 6.12. Fue rzas y resistencias relacionadas con el pa ndeo lateral de la via

Al pandeo lateral de la vía se oponen fuerzas verticales (peso de ca rril y traviesas) y horizontales (empotramiento en el balasto y el rozamiento de la traviesa sobre el balasto; la suma de estos efectos se designa por "q"). Se ha estimad o que la resistencia de la vía frente al pandeo lateral en las curvas disminuye según la siguiente expresión: q' (kp/m) = F (kp) I R (m) Siendo F la fuerza normal presente en la vía (esfuerzo térmico) y R el radio de la curva.

148

CAPíTULO VI. LA CONTINUIDAD DE LA VíA

2.3. Construcción de la vía sin juntas. La construcción de la vía sin juntas se produce en dos fases: la primera en fábrica , en la cual se obtiene el carril en barra larga y la segunda a pie de obra, con la cual se consigue la vía sin juntas.

2.3. 1. El carril en barra Jarga. La soldadura en fábrica . El carril se fabrica en la siderurgia mediante el proceso de laminación. De estas factorías salen barras normalizadas de 36 m de longitud . A continuación estas barras cortas se llevan a la factoria de REDALSA (Valladolid), especializada en soldadura. Allí se lleva a cabo el proceso de soldadura de los carriles mediante la soldadura eléctrica , también conocida como soldadura por chisporroteo o resistencia. La soldadura eléctrica se basa en el siguiente proceso: •

Se ponen en contacto dos carriles y se hace pasar a través de ellos una corriente eléctrica de pequeño voltaje y muy alta intensidad (v, 1), lo que provoca grandes caídas de tensión en la corriente (l1V :;: R"I) que ocasionan el calentamiento de los carriles. De esta forma se consigue que se ca lienten hasta los BOO°C.

•

A continuación se separan (una pequeña distancia) y vuelven a juntar (aplicando una cierta presión) sucesivamente varias veces los extremos. Los arcos eléctricos que se producen al realizar esta operación aumentan la resistencia al paso de la corriente y la temperatura de los extremos hasta los 1.500°C.

• •

Se aplica una presión de 50 t a los carriles, quedando definitivamente soldados. Se reperfilan los carriles en la zona soldada, eliminando los realces (rebaba) y esmerilando (puliendo) las superficies para darles su perfil geométrico exacto.

El proceso de soldadura eléctrica en fabrica está muy controlado (por las propias maquinas de sal dar), y se obtienen muy buenos resultados. Repitiendo sucesivamente esta soldadura se obtiene el carril en barras largas, que miden 288 m. A continuación se lleva a pie de obra en trenes carrileros formados por vagones plataforma.

149

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA 2.3.2. La liberación de tensiones. Una vez instalados provisionalmente en la vía los carriles en barra larga, se permite el paso del tráfico con restricciones (unas 100.000 t) para que la vía se vaya asentando, y antes de proceder a su soldadura definitiva , se lleva a cabo el proceso de liberación de tensiones.

Este proceso trata de asegurar que el carril se instala definitivamente (apretado de sujeciones y soldadura a pie de obra) con una longitud correspondiente a la temperatura media del lugar donde se coloca. De esta forma se limitan las tensiones que va a sufrir el carril a lo largo del año que, de ser excesivas, pueden producir roturas (tracción) o pandeo (compresión). La temperatura de liberación de tensiones se obtiene haciendo la media de la temperatura máxima y mínima del carril en el lugar (la temperatura del acero es unos 1QOC superior a la temperatura ambiente en verano y unos 5°C inferior en invierno) más un resguardo de 5°C. La razón de ser de este resguardo es estar más del lado de la seguridad respecto a las compresiones , ya que es más fácil que la vía pandee que se produzcan problemas por tracciones. Por ejemplo, la temperatura de liberación de tensiones en una zona de España con clima continental pOdría ser: Tlib = (Tm,;x + Tmin)/2 + 5'C = (50 -10)12 + 5 = 25'C Para fijar el carril a la longitud que tendría a la temperatura de liberación es necesario que se encuentre a una temperatura inferior. Se aflojan las sujeciones. A continuación se procede a un alargamiento controlado de los carriles por calentamiento (poco utilizado) o utilizando tensores (gatos hidráulicos que tiran del carril) y vuelven a apretarse las sujeciones.

2.3.3. La vía en barra larga soldada (BLS). La soldadura "in situ" . Una ver realizada la liberación de tensiones se procede a la soldadura de las barras largas, que se realiza mediante soldadura aluminotérmica. Este método se basa en hacer reaccionar aluminio con óxido de hierro y consta de las siguientes fases: •

Alineación de los carriles.

•

Se coloca un molde que envuelve los extremos de los carri les.

150

CAPíTULO VI. LA CONTINUIDAD DE LA VíA •

Se calientan con un soplete los extremos de los carriles

•

Se vierten en un recipiente los componentes en polvo de la soldadura (óxido de hierro, aluminio y los aditivos adecuados para obtener el acero del que están hechos los carriles).

•

Se produce la reacción del óxido de hierro con el aluminio, que desprende una gran cantidad de caJor que funde el hierro y el resto de componentes, formándose así el acero. La colada al caer funde también los extremos de los carriles, produciéndose así la soldadura.

•

La escoria se separa por decantación y sale al exterior junto con el material sobrante.

•

Se rompe le molde.

•

Se deja enfriar.

•

Se reperfilan los carriles.

Figura 6.13. Herramientas listas para realizar una soldadura aluminotermica. Garinoaín (Navarra), 2005

151

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Figura 6. 14. Aspecto de la soldad ura des pu és de romper el mol de. Garinoaí n (Navarra ), 2005

Para que la soldadura tenga un buen comportam iento y su vida útil sea similar a la de los

carriles, el material de la soldadura ha de ser un acero de la misma composición y características de los carriles, para

lo cual es

necesario

que se

haya

real izado

correctamente. La soldadura aluminotérmica "in situ" tiene una serie de desventajas con respecto a la

eléctrica realizada en fáb rica : •

El proceso es más lento

•

Es más cara

•

Es menos segura, hay mayor probabilidad de fallo de la soldadura

•

Su control puede real izarse por ultrasonidos.

152

CAPiTULO VI. LA CONTINUIDAD DE LA ViA

2.4. Los aparatos de dil atación . A pesar de que lo deseable sería tener la vía soldada en toda su longitud, esto no siempre es posible, ya que en algunos puntos se interrumpe la vía en barra larga soldada , por alguna de las siguientes razones:

•

Inici o de un tramo con vía sin soldar.

•

Existencia de aparatos de ví a (desvíos o travesías) que no soportan las te nsiones

que transmite la barra larga soldada y otros que por el tipo de acero del que están hechos no son solda bies.

•

En el caso de un puente, ya sea metálico o de hormigón, para evitar que se produzcan tensiones excesivas en los carri les. En general los aparatos de dilatación son necesarios en puentes metálicos sin balasto y en grandes puentes hiperestáticos con balasto. Para su instalación se requiere un estudio de interacción longitudinal vía-tablero, para comprobar las tensiones en el carril (con y/o sin aparato de dilatación) y analizar los desplazamientos relativos entre vía y tablero y absolutos de ambos, con el objeto de evitar una desconsolidación del balasto, y para determinar la carrera del aparato de dilatación.

Elaboración : A. Tamayo (2005)

Figura 6.15. Fuerzas y des plazamientos en un aparato de dilatació n

Los movimientos en los extremos de la vía con BLS pueden ser importantes, por lo que se instalan unos aparatos que permiten el movimiento relativo longitud inal entre los carriles , llamados aparatos de dilatación. El aparato de dilatación es un tramo de vía a lo largo del

153

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA cual los carriles se cortan oblicuamente (para dar continuidad a pesar de los movimientos relativos entre los carriles) y se apoyan sobre unas placas engrasadas que facilitan su movimiento longitudinal.

2.5. Característícas de la vía pa ra adm itir la vía en barra larga so ldada. La tecnologia de BLS no puede instalarse en cualquier vía ferroviaria , sino que deben cumplirse una serie de requisitos estructurales y geométricos para asegurar su buen funcionamiento:

1. La longitud soldada debe ser lo mayor posible, ya que así la vía es más resistente y se evita la utilización de elementos que producen puntos débiles Guntas o aparatos de dilatación). 2. La vía debe ser 10 más pesada posible, ya que al aumentar el peso aumenta el rozamiento y empotramiento en el balasto. Por 10 tanto será preferible utilizar los carriles más pesados y traviesas de hormigón . 3. Como se comentó anteriormente, la resistencia de la vía frente al pandeo lateral disminuye en las curvas; tanto más cuanto menor es el radio de la misma. Por ello, en el tramo de vía en el que se va a instalar BLS no debe haber curvas de radio inferior a 450 m, siendo el radio mínimo recomendable 800 m. 4. La vía debe estar muy bien nivelada y alineada , ya que cualquier desviación hace que los esfuerzos térmicos que soporta no se compensen (de nuevo, disminuye la resistencia frente al pandeo), sino que aparezca una resu ltante que aumente las tensiones y deformaciones. 5. El balasto debe ser anguloso y de buena calidad, para aumentar el rozamiento con la traviesa, lo que contribuye a aumentar la resistencia longitudinal y transversal de la vía. Es importante no desguarnecer la vía en verano (retirada del balasto para operaciones de mantenimiento), la época de mayores compresiones. 6. Las sujeciones deben apretar siempre el carril, para lo cual deben tener una alta resistencia a torsión. Por ello se utilizan sujeciones elásticas, que no se aflojan con las vibraciones ni con los esfuerzos que les transmiten los carriles.

154

CAPíTULO VI. LA CONTINUIDAD DE LA VíA 7. La dilatación de los extremos de la vía en BLS, tiene una amplitud importante (en torno a dos centímetros), que se absorbe con los aparatos de dilatación. Por lo tanto, en los lugares donde empieza o acaba la vía en BLS deben instalarse siempre aparatos de dilatación.

Figura 6.16. Aparato de dilatación (en primer plano). Larva (Jaén), noviembre de 2005.

2.6. Ventajas de la vía en BLS . Las ventajas de la vía en BLS son consecuencia directa de sus características principales: robustez y continuidad en sus propiedades (geométricas y resistentes). 1. Menos roturas de los carriles (al no haber juntas y ser la vía más resistente). 2. Mayor vida útil de los componentes de la vía. 3. Posibilitan mayores cargas y mayor velocidad de circulación.

155

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA 4. Disminuyen los costes de mantenimiento, ya que los elementos se desgastan menos, y sobre todo , porque no existen juntas y al ser más robusta conserva mucho mejor la geometría. 5. Aumentan el confort del viajero (debido a la ausencia de juntas y a la perfección en la

geometría). 6.

Producen un ahorro de energía, al disminuir la resistencia a la rodadura del material móvil.

7. Se asegura la continuidad del circuito eléctrico de tracción y/o control de tráfico (en las juntas había que poner cables de conexión).

156

CAPíTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO

Linea Alicante-Alcoy (no inaugurada). Túnel en la subida al Puerto de Maigmó. Agosto de 2004.

157

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

VII. LAS CAPAS DE ASIENTO 1. LA PLATAFORMA. 1.1. Definición y funciones. La plataforma es la estructura construida sobre la explanación que sustenta las capas de asiento, la vía y los dispositivos destinados al funcionamiento de los trenes. Puede estar formada por el propio terreno cuando se trate de una zona de desmonte, o por suelos de aportación en el caso de rellenos de depresiones (terraplén), si bien en casos singulares puede estar constituida por obras de fábrica y convertirse en plataformas rígidas (puentes y viaductos , túneles, estaciones, etc.). Debe soportar los esfuerzos estáticos y dinámicos de los trenes y de la propia vía, que se transmiten a través de la banqueta de balasto sin que se produzcan asientos que puedan afectar a la funcionalidad de la vía, así como garantizar la evacuación de las aguas pluviales mediante la provisión de pendientes transversales. La capa de terminación de la plataforma se denomina "capa de forma", y es la que mayores esfuerzos debe soportar. Por lo tanto , en general está constituida por suelos mejores que los del núcleo en el caso de terraplenes, con el objeto de mejorar la capacidad portante de la plataforma, y es preciso proporcionarle un mayor grado de compactación que al resto del relleno. En los desmontes, la capa de forma se obtiene por compactación del fondo de la excavación (si los suelos son adecuados) o por aportación de suelos de mejor calidad que los sustituyan en una profundidad minima de 1 metro. La capa de forma siempre debe tener un espesor mínimo de 30 cm. Las operaciones de reparación y conservación de la plataforma son muy difíciles y caras (pues debe mantenerse el tráfico), por lo que es importante su correcta ejecución , ya que su comportamiento a lo largo de la vida de la obra es fundamental dentro del comportamiento conjunto de la vía.

158

CAPíTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO

1.2. Clasificación de los suelos para su uso en la plataforma. Los suelos empleados tanto en la plataforma como en el resto de las obras de tierra que integran la infraestructura ferroviaria se clasifican en cuatros categorías en función de su calidad , según la UIC . Estas categorías tienen en cuenta tanto la

naturale~a

geotécnica del

suelo como las condiciones hidrogeológicas locales:

• aso:

Suelos inadecuados para realizar las capas subyacentes a la de forma. Son

difícilmente mejorables y en general deben ser eliminados (suelos orgá nicos, solubles, tixotrópicos, etc.).

• as 1:

Suelos malos, con más de un 40% de finos. Aceptables sólo cuando se

dispone de un buen drenaje, pudiendo en cualquier caso ser objeto de estabilización mecánica o con aditivos. También se integran en este grupo las rocas muy evolutivas. •

OS1*: Suelos malos, con un contenido de finos del 15 al 40%, y rocas evolutivas o blandas. Son materiales que se clasifican como QS1, pero que con unas buenas condiciones hidrogeológicas pueden ser clasificados como OS2.

•

OS2: Suelos medianamente buenos, con contenido de finos del 5 al 15%, y rocas de dureza media. Estos suelos pueden ser clasificados como QS3 si las condiciones hidrogeológicas son buenas.

•

OS3: Suelos buenos, con un contenido de finos inferior al 5%, y rocas duras.

Para que las condiciones hidrogeológicas sean buenas, es necesario que la capa superior del suelo se encuentre por encima del nivel freático y que tenga un buen drenaje.

1.3. Capacidad portante de la plataforma. La capacidad portante de la plataforma depende de las calidades y espesores de los suelos que la integran , tanto los de la capa de forma como los ubicados bajo ella. Atendiendo por lo tanto a estas características, se establecen tres clases de capacidad portante en las plataformas: •

P1: Plataforma de mala capacidad portante. CBR<5

159

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

•

P2: Plataforma de capacidad portante media. 5
•

P3: Plataforma de capacidad portante buena. 20
En la tabla 8.1 se muestra el procedimiento para obtener cada clase de plataforma partiendo

del tipo del suelo que la constituye, indicandose para ello la calidad del suelo que debe constitui r la capa de forma y el espesor que debe tener la misma.

Categoria del

Capa de forma colocada

suelo de soporte

Categoría

Espesor total

portante de la

de las capas

Espesor (m)

plataforma

de asiento (m)

0.30

P1

0.70 + geotextil

0.30

P2

0.55 + geotextil

QS2

0.55

P2

0.55 + geotextil

QS3

0040

P2

0.55

QS3

0.60

P3

0045

QS2

0.30

P2

0.55 + geotextil

QS3

0040

P3

0045

QS3

0.30

P3

0045

Calidad del suelo

QS1 Suelo tratado con ligantes

QS1

QS2

QS3

Tabla 8.1. Capacidad portante de la plataforma y espesor total de las capas de aSiento necesanas en función de la naturaleza del suelo.

160

CAPíTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO

Figu ra 8.1. Plataforma de la línea de alta velocidad Córdoba-Málaga

2. LAS CAPAS DE ASIENTO. Las capas de asiento son un conjunto de capas que se disponen entre las traviesas y la capa de terminación de la plataforma (capa de forma ). Su estructura queda configurada por una banqueta de balasto sobre una subbase, de manera que esta última constituye una capa de adaptación entre la plataforma y la banqueta . La estructura de estas capas, en su forma más compleja , queda representada en la figura

8.2.: •

Banqueta de balasto: es la parte de la vía sobre la que se dispone la estructura principal de la misma (traviesas, carriles y sujeciones).

•

Capa de subbalasto: es una capa de exigencias menores que el balasto que se coloca bajo la banqueta .

•

Capa de fundación o cimentación: es una capa que debe disponerse bajo la capa de subbalasto en las plataformas con baja capacidad portante (P1 y P2), Y está 161

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA constituida por gravas o zahorras bien graduadas. Su misión es permitir la circulación de la maquinaria durante las obras. •

Capa anticontaminante: su misión es proteger al balasto de la contaminación provocada por las plataformas de baja calidad y con elevado contenido de finos , por lo que se exige siempre en plataformas tipo P1.

•

Un fieltro anticontaminante: se debe disponer siempre sobre plataformas de baja capacidad portante para evitar la contaminación de la subbase y a la vez faci litar la

construcción de las capas de asiento. Se dispone cuando la capa de forma esta formada por suelos OS 1 Y OS2, y por lo tanto siempre que se tenga plataformas tipo

P-1 o P-2.

su~~ ~ALO •

i

•

Fuente: Normas RENFE Vía (N.R.v. ) Figura 8.2. Estructura de las capas de asiento sobre plataforma tipo P-1

Las funciones de las capas de asiento son las siguientes: •

Transmitir y repartir las cargas desde las traviesas a la plataforma, sin que tengan lugar grandes asientos.

•

Amortiguar las acciones de los trenes sobre el armado de la vía.

•

Permitir el establecimiento de la geometría de la vía.

•

Evacuar el agua rápidamente y proteger a la plataforma de las heladas.

162

CAPiTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO •

Estabilizar la vía en el plano horizontal; así, deben arriostrar las traviesas (y por lo

tanto los carriles sujetos a ellas) impidiendo los movimientos longitudinales y transversales de la vía.

3. EL BALASTO. La banqueta de balasto tiene una sección transversal trapezoidal, y está constituida por

áridos que envuelven y sujetan las traviesas. Así , dicha banqueta ejerce una relativa inmovilización de las traviesas por medio del rozamiento interno de los áridos y el de las traviesas con éstos. Debe resistir las cargas que le transmite la traviesa, absorber parte de ellas y repartirlas sobre el terreno, así como contribuir al drenaje de la vía. El árido que constituye el balasto está formado por piedra o roca machacada y cribada , yen lineas generales se trata de una grava limpia con tamaños comprendidos, casi en su totalidad, entre 25 y 60 cm. Debe estar practicamente exento de finos, pues éstos podrían cerrar el paso del agua a través de la banqueta y crear zonas plasticas blandas. En la elasticidad de la banqueta inteNiene la presencia de aristas vivas en los elementos del balasto, por lo que para que perdure dicha elasticidad se exige que los aridos posean una determinada dureza a compresión

y una gran resistencia al desgaste (coeficiente de

desgaste de Los Ángeles inferior a 19), características también exigidas para las operaciones de conseNación de la vía con maquinaria pesada. Respecto a la forma de los áridos, ésta debe ser poliédrica, pues elementos planos o alargados acabarían por romperse , modificandose la granulometría inicial , se formarían finos

y consecuentemente se degradaría la elasticidad y permeabilidad exigida a la banqueta . Estas es otra de las razones por las que el arido debe tener una elevada resistencia al desgaste.

Por las razones anteriormente expuestas, las rocas fundamentalmente empleadas en el balasto son las rocas sil1ceas, tales como granito, basalto, pórfido, gneis, gabro, etc. En lineas de poco trafico, con traviesas de madera y donde el balasto se encuentre sometid o a acciones poco intensas, se pueden emplear calizas duras. El proceso de compactado del balasto comienza con el paso de los trenes de trabajo, cuando la vía esta todavía instalada provisionalmente. Posteriormente, son las maquinas batead oras las que terminan de compactarlo y de posicionar la vía dentro de la capa de

163

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA balasto, para lo cual van moviendo la capa de balasto mediante la introducción de unos bates metál icos. En las

operaciones de mantenimiento se emplea un material de las

mismas características pero de un tamaño menor, entre 10 y 30 mm .

4. EL SUBBALASTO. Es la capa de áridos situada inmediatamente después del balasto , de exigencias técnicas menores que las de este . Está formada por una grava arenosa bien graduada , con algún porcentaje de elementos finos para que sea fácilmente compactable. Debe existir en todos

los casos de plataforma y proporcionar un buen asiento al balasto . Su origen proviene del aprovechamiento del balasto viejo en renovaciones de líneas, dejando éste en la plataforma para colocar encima el balasto nuevo. Al observarse el buen funcionam iento de esta medida, se comenzó a introducir una capa de subbalasto en las líneas nuevas. Sus funciones son las siguientes: •

Proteger a la plataforma del punzonamiento de los elementos del balasto, de la erosión del agua y de los efectos de las heladas.

•

Mejorar el reparto de cargas , reduciendo la tens ión que debe soportar la plataforma.

•

Posibilitar que las operaciones de conservación de la vía se real icen afectando únicamente a la capa de balasto, debiendo permitir el tráfico de las máquinas durante la obra.

5. CÁLCULO DE LOS ESPESORES DE LAS CAPAS DE ASIENTO. 5. 1. Factores que influyen en el dimensionamiento. a) La capacidad portante de la plataforma. Ya se indicó en apartados anteriores que en las plataformas tipo P1 y P2 es necesario disponer un fieltro anticontaminante y una capa de fundación , y en las plataformas P1

164

CAPíTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO

además una capa anticontaminante. Tanto la capa de fundación como la capa anticontaminante deben tener espesores al menos de 15 cm. b) Características del tráfico que circulará Por la linea. El tráfico de una determinada linea queda caracterizado por el tonelaje diario soportado por la vía, la carga por eje y la velocidad de circulación. Cuanto mayores sean estas variables, mayor resistencia deberán tener las capas de asiento, para que sean capaces de soportar las acciones a las que se ven sometidas. Para tener en cuenta todas estas características del tráfico , la UIC clas ifica las líneas férreas

en una serie de grupos en función

de una variable, el "tráfico ficticio diario TI2 ", el cual

queda definido por la siguiente expresión:

T,, ; S. ( Tv + 1,4

Te.) + Sm( TM K M + 1,4 TLm

);

T I2 : Tráfico ficticio diario, expresado en toneladas por día (tldía).

Sv y Sm: Coeficiente indicativo de la calidad de la vía , que puede tomar los siguientes valores, en función de la velocidad de circulación de los trenes de viajeros: V (Km /h )

S

V< 60

1,0

60
1,05

80
1,15

100< V< 130

I

1,25

130< V < 160

1,35

160< V < 200

1,40

200< V < 250

1,45

V > 250

1,50

165

DISEÑO Y CA RACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Tv :

Tonelaje diario de viajeros (TBRldia ).

T M:

Tonelaje diario de mercancias (TBRldia).

TL

Tonelaje diario de locomotoras (TB/dia).

:

KM :

Coeficiente de ponderación de mercancías:

KM = 1,15 (Li neas de tratico norma l). KM = 1,30 (Lineas con mas del 50% de ejes de 20 t o con mas del 25% de ejes de 22,5 t). KM = 1,45 (Lineas con mas del 75% de ejes de 20 t o con mas del 50 % de ejes de 22,5 t).

Tomando como referen ci a el tráfico ficticio diario, la UIC clasifica las lineas ferrovi arias en

los siguientes grupos:

166

Grupo 1:

TI, > 120.000 Vdia

Grupo 2 :

120.000> TI, > 85 .000

Grupo 3:

85.000> TI, > 50.000

Grupo 4 :

50.000> TI, > 28.000

Grupo 5:

28.000> TI, > 14.000

Grupo 6:

14.000> TI, > 7.000

Grupo 7:

7.000 > TI, > 3.500

Grupo 8:

3.500 > TI, > 1.500

Grupo 9:

1. 500> TI,

CAPiTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO e) El tipo de traviesa. Las traviesas utilizadas en España son fundamentalmente de madera y de hormigón. Las de

madera son más flexibles, reparten mejor las cargas, y por lo tanto requieren un menor espesor de las capas de asiento que las de hormigón . Por otro lado, la rigidez de las traviesas de hormigón disminuirá al aumentar la longitud de la

traviesa, por lo que traviesas cortas requerirán un mayor espesor de las capas de asiento para alcanzar una determinada flexibilidad en el conjunto de la vía.

5.2. Cálculo de los espesores de la capa de balasto y subbalasto. a) Método UIC. De la tabla 8.1. se puede obtener el valor de "E" (espesor total de las capas de asiento) en función de la categoría del suelo soporte y de la capa de forma colocada . La expresión Que determinará el espesor real a colocar

~e"

(suma de los espesores de [a capa de balasto y la

de subbalasto ) se obtendrá modificando el valor de "F

obtenido anteriormente mediante

una serie de parámetros, definidos en la tabla 8.2. , según la siguiente expresión:

e

=eb+esb = E - a + b - c + d

También puede ser empleado el ábaco que se muestra en la figura 8.4. para determinar el espesor mínimo de las capas de balasto y subbalasto, valor que viene dado en función del tráfico ficticio diario y del tipo de traviesa , válido para vias con separación de 0,60 m entre ejes de traviesas y carga admisible por eje de 20 t. En dicho ábaco puede observarse que el espesor total depende fundamentalmente del tráfico de la línea (caracterizado por el tráfico ficticio diario) y, en menor medida, del tipo de traviesa.

167

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Figura 8.3 . Acopio de balasto. Monfragüe (Cáceres ), 2005

Parámetro

a

b

e

Valor

O 0,05

Grupo UIC 3

0 ,10

Grupo UIC 4,5 ,6 O grupos UIC 7,8,9 con tráfico de viajeros

0,15

Grupos UIC 7 , 8, 9 sin tráfico de viajeros .

O

Traviesas de madera de longitud> 2,6 m

(2, 50 - L)/2

Traviesas de hormigón de longitud L (m)

O 0 ,1

d

Grupos UIC 1 y 2 o V > 200 km/h

O

Valor normal Excepcionalmente para grupos U IC 7,8 ,9 Carga por eje < 20 t

0,05

Carga por eje S" 22 .5 t

0,12

Carga por eje s 25 t

0,35

Carga por eje;:;; 30 t

Tabla 8.2. Parametros para determinar el espesor real de balasto mas subbalasto

168

CAPíTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO 1-'4--'--+--'--+-"~+---'-+i

4 ...;-...L-.+. 2 ~~

>-,,,,"-=--i-o~~.....!'~,~, " ~ , .' _,. 1'"

..

."

, M. R V. 2-1 . 0 . 1. )G RUPOS RE NFE

N. R.Y. ' . 4 _1.0

TI Z tn millo r os (1)

!SO

85

120

200 300 500

~l~~

"0 0>0 . 0. 40

•

;

.. · ··· I~ : . . I f--.------~ .

r

! ~'O 0.70

2 o

w· I

!

.

0.,,1 _ _ _ _ _ ._ _ __

~

'O

-- - +--1 T I _

_

.. .f-- .- . --.JI ..... .. .1

:

I

¡¡:-==¡¡:¡:~¡:_==¡_=_==¡=¡=¡=¡=¡I~:.~.~i _¡f'¡l= +·r.' ··· ·..'T-

... f--

00001--..:;

090

6e t f dill

..

.. . .

• trn)

TRAVIESA DE MACERA TRA VI ES A DE HORIA IGON DE LO NGITUD

TRAVIESA DE HORMJGON DE 2,20 ~

f

e<

El!: 2 , 4 0 ... , 2, 40m.

( 1 1 Trz:T,alitO ,ieticio (l i o. io

Fuente: Normas RENFE Vía (N.R.v.)

Figu ra 8.4. Espesor de balasto y sub balasto en líneas con carga por eje 20 t

b) RENFE .

RENFE propone un Catálogo de Secciones Estructurales que trata de simplificar la metodología de la UIC, basadas en díferentes tipos de plataforma (definidas por su C.B.R.) y

en el tráfico bruto que soporta la vía. En cualquier caso, se considera que las capas de asiento propuestas no deben utilizarse salvo imposibilidad de dimensionar y emplear las propuestas por la UIC.

169

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA e) Consideraciones sobre los espesores de las capas de asiento. En relación al espesor total calculado , "e =

eb

+

8 s bH,

el espesor de la capa de balasto y el

de la de subbalasto, se pueden añadir las siguientes cons ideraciones:

•

En líneas en las que se circu le por encima de los 200 km/h, el espesor total no debería descender de 0,6 m, y excepcionalmente de 0,5 m.

•

El valor mínimo del espesor de la capa de subbalasto "e sb" debe ser la mitad del espesor tota l "e" calculado, por lo que si el espesor de la banqueta de balasto "e b" tuviera que ser mayor que la mitad de "e", dicho espesor "e" debe ser aumentado en la cantidad correspondiente.

•

Por razones constructivas, el espesor de la capa de subbalasto no debe ser inferior a 15 cm.

•

La capa de subbalasto no debe ser menor de 25 cm en vías con velocidad máxima mayor de 160 km/h; además, si la velocidad máxima es menor de 160 km/h, su espesor será de 25 cm cua ndo la altura de ba lasto bajo traviesa sea menor de 30 cm, y en otro caso , por condicionantes constructivos, la capa tendrá un espesor mínimo de 15 cm .

•

El tráfico marca la importancia de la línea, y a él debe supedita rse la capacidad portante de la plataforma y las dimensiones de la banqueta , que están muy relacionadas con las del subbalasto. En general, se recom ienda que exista un espesor mínimo de balasto de 30 cm bajo la traviesa .

•

En la actualidad, en plataformas rígidas se están empleando espesores de balasto que en líneas de alta velocidad llegan a los 40 cm sobre lámina asfáltica . En la línea de alta velocidad Córdoba-Malaga se ha empleado 35 cm de balasto y 30 cm de subbalasto en plataformas no rígidas.

•

El espesor de balasto debe ser al menos de 30 cm en las líneas de veloci dad superior a 120 km/h y debe estar comprendido entre 25 y 30 cm en líneas de velocidad máxima igualo menor de 120 km/h.

170

CAPiTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO

6. DIMENSIONES DE LA BANQUETA DE BALASTO. La geometría de la banqueta de balasto queda definida por los siguientes elementos

(reflejados en las figura 8.5 y 8.6).: •

Espesor total de la banqueta: es la suma del espesor de balasto bajo la traviesa

(determinado según el apartado 5) y el espesor de la capa de enrase. •

El refuerzo de la capa de enrase. La capa de enrase

queda definida por una

superticie situada 2 cm por debajo del. punto más bajo del patin del carril. Esta capa tiene como finalidad absorber los esfuerzos horizontales: el colocado entre las

traviesas debe neutralizar las acciones longitudinales, y los hombros de la banqueta deben anular los esfuerzos transversales. •

Las dimensiones en planta: hombros de la banqueta (H) y ancho de la entrevía (aen ).

El ancho de los hombros se ha determinado experimentalmente. Generalmente su valor oscila entre 90 y 105 cm, en funci ón del tráfico , adoptándose las mismas dimensiones en rectas y en curvas. En las estaciones , secciones en túnel, puentes, etc. siempre que los elementos constructivos (hastíales, andenes, etc. ) contribuyan a la contención del balasto , no tienen que respetarse esas dimensiones de los hombros . En alineaciones curvas de radio inferior a 400 m se suele llevar a cabo un refuerzo del hombro prolongando el talud de la

banqueta en 100 mm de altura. El ancho de la entrevía depende de los esfuerzos transve rsales y del gálibo de los trenes. En general , oscila entre 210 cm y 234 cm, en función del tráfico, y en esta ciones se suele disponer una entrevia mínima de 350 cm. En los trabajos de RENFE ha sido frecuente el empleo de valores de 4 ,00 metros entre ejes de vías (entrevía de 2,332 m). En las líneas de alta velocidad se esttm adoptando distancias entre ejes de vías de 4,70 m.

•

El talud del balasto.

Se emplea un talud 5H/4V a partir del hombro exterior de la banqueta. En lineas de alta velocidad se adopta un talud 3H/2V.

171

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA

Fuente: Normas RENFE Via (N.RV. ) Figura 8.5. Geometría de la banqueta de balasto

1<·009

Fuente: lGP-2003 (ADIF)

Figura 8.6. Sección tipo vía doble en alta velocidad, ancho internacional

172

CAPíTULO VIII.- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA

~ . • .. . ...... - ' ''''-.,! . ,

, .• ! - - -

....... . -

0- _o OO.

o· 0 _

~

!_

,-

.. , °

Puente "La Cantera ~ en el P.K. 139 de la línea Córdoba·Malaga. Marzo de 2005

173

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA

VIII. COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA. 1. TIPOS DE ESFUERZOS Y CARACTERIZACiÓN DE LA

VíA. 1.1. Introducción. La vía esta formada por un co njunto de elementos con módulos de elasticidad y coeficientes de amortiguamiento variables, los cuales transmiten las cargas dinámicas de las ruedas a la plataforma. La vía convencional , constituida por carriles , traviesas, sUjeciones , ba lasto y

subbalasto (elementos que

~on vi erten

a la misma en un conj unto heterogéneo), ha sido la

que mejores resultados ha proporcionado a 10 largo de la historia del ferrocarril. El cá lcu lo de los diferentes elementos que componen esta disposición es muy comp licad o. Cada elemento tiene una función definida dentro del conj unto, pero la cuantificación de los

esfuerzos que se transmiten entre ellos, tanto en su magnitud como en su distribución, ha sido una tarea difícil, que hasta tiempos recientes se ha realizado mediante modelos empíricos simplificados. Estos modelos eran necesarios para el correcto dimensionamiento de los elementos de la vía. En cualquier caso, la larga experienci a ha permitido adaptar las formas y dimensiones de los elementos a los esfuerzos, aunque la optimización de los mismos req ueriría un profundo conocimiento de su comporta miento. En los últimos años se han desarrollado modelos matemáticos para determinar el comportamiento de la vía, como el método de los elementos fin itos, realizándose análisis estáti cos y dinámicos, cu yos resultados luego se contrastan con los obtenidos in situ, verificando la validez de las hipótesis simplificadoras rea lizadas. Se puede decir que, en general, se conoce bien el comportamiento del carril bajo la acción de las cargas, se desconoce en gran medida el comportam iento de las traviesas, y el comportamiento de las capas de asiento se puede reproducir en gran medida mediante el uso de programas de elementos finitos con capacidades geotécnicas. En una primera aproximación, la vía puede asemejarse a una viga flotante, en la que el carril se apoya en puntos discretos (l as traviesas), y éstas sobre el balasto, que puede modelizarse como un conjunto de muelles.

174

CAPíTULO VIII.- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA

1.2. Tipos de esfuerzos. Los esfuerzos que sufre la vía al circu lar el material móvil se pueden clasificar según dos criterios: a) Por el origen de las acciones.

•

Estáticos: estos esfuerzos provienen del peso del material móvil que circula por la vía. Las acciones que lo provocan tienen un valor bien conocido, co mo por ejemplo el peso por eje de un determinado vagón.

•

Cuasiestáticos: son los esfuerzos producidos por las aceleraciones que experimenta

el material móvil cuando circula por la vía , fundamentalmente la aceleración centrífuga en las curvas. La fuerza centrífuga que sufre el vehículo tiene un valor: / g

P /

Q

Q

I = insuficiencia de peralte. Ro ;: radio curva.

Figura 8.1 . Efecto de la fuerza centrifuga

Planteando el equilibrio de momentos se obtiene la sobrecarga que se produce en el carril exterior (o la descarga del interior) debido a la fuerza centrífuga:

R Q~ H

F ¡:

•

PI

~

~ H-

a '

H PI

R~'a~

Dinámicos: son esfuerzos provocados por la circulación de las cargas a gran velocidad (fenómenos de impacto, consecuencia de la existencia de irregularidades en la vía o en el material ), o motivados por el movimiento de lazo, o por el balanceo y cabeceo que se produce durante la circulación de los trenes. Son de carácter 175

DISEÑO Y CARACTERiSTiCAS DE LA ViA FERROVIARIA aleatorio, y sus características se han determinado tras aplicar técnicas de análisis estadístico a los resu ltados experimentales. La dispersión de los resultados crece con la velocidad y también al empeorar el estado de la vía y de los vehículos. Para el cá lculo de las cargas dinámicas hay que distinguir entre los efectos producidos por las masas suspendidas y las masas no suspendidas . Las masas no suspendidas son aquellas que inciden sobre la ví a sin pasar por el sistema de amortiguación (ejes, bogies, sistema de freno, todo o parte del peso del motor, etc.); las masas suspendidas son el resto de elementos que constituyen el material móvil. La frecue ncia propia correspondiente a las masas no suspendidas es del orden de 20-50

Masas suspl:lldld::¡s

hz,

mientras que las masas suspendidas

tienen una frecuencia propia menor de 10hz, entre 1 y 5 hz. Los efectos de ambas pueden M;lsaS

no

suspendidas

considerarse independientes entre sí.

Figura 8.2. Masas suspendidas y no suspendidas

Normalmente, el porcentaje de peso no suspendido alcanza el 16% en el material motor y el 10% en el material remolcado. De todos modos, aunque las masas no suspendidas representan menos del 16% del total, producen más del 50% de las cargas dinámicas, por lo que es necesario reducir su va lor lo máximo posible. b) Por la dirección de aplicación de las acciones. •

Verticales. Las cargas verticales pueden tener un carácter estático, cuasi estáti co o dinámico.

•

Transversales. Las acciones transversales en alineaciones rectas tienen su origen en el movimiento de lazo, y en ali neaciones curvas son debidas tanto a fenómenos dinámicos como cuas iestáticos (aceleración centrífuga ).

•

Longitudinales. Los principales esfuerzos longitud inales son los esfuerzos térm icos , y los producidos por los procesos de frenado y arranque, así como los impactos en las juntas.

176

CAPiTULO VIII.- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA ViA En general , es bien conocido el efecto de las ca rgas verticales, así como el comportamiento del carril; sin embargo no se conoce bien el comportamiento de las traviesas ni del conjunto de la vía frente a los esfuerzos transversales.

1.3. Parámetros que caracterizan el comportamiento de la vía. La elasticidad de la vía se ca racteriza mediante los siguientes parámetro s: a) El módulo de via (K).

Fuente : Lorente (2004 )

Figu ra 8.3. Módu lo de la vía

Se define por la expresión:

K ~ !.. (kg/ cm' )

z

Siendo "r" una carga uniformemente repa rti da sobre el ca rril (en kg/cm) y "z" la flecha

ve rtical de la vía correspondiente a esa carga (en centímetros). Su va lor oscila entre 200 y 2.000 kgl cm ' . b) La rig idez de la via o reacción de la traviesa (p).

R

Fuente: Lorenle (2004 )

Figura 8.4. Rigidez de la vía

177

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA Se define por la expresión:

R

p~ -

(l/mm)

Siendo "R" una carga puntual aplicada en el contacto carril-traviesa (en toneladas) , y "z" la flecha vertical de la vía correspondiente a esa carga (en milímetros). Su valor oscila entre 1 y 1O tlmm , siendo habituales valores entre 3 y 4 tlmm. Cuando la velocidad de circulación es de 200 km/h, es aconsejable aumentar la rigidez hasta 5 tlmm , y

en el caso de alta velocidad, la rigidez óptima es de 8 tlmm . La rigidez de las obras de fábrica es del orden de 12 tlmm , lo que supone una gran discontinuidad en la vía. c) El coeficiente de Balasto (C).

R

Fuente: Lorenle (2004) Figura 8.5. El coeficiente de balasto

Se define por la expresión:

R (kg/ cm ' ) zS

C~ -

Siend o R una carga puntual aplicada en el contacto carril-traviesa (en Kilogramos), z la flecha vertical de la vía correspondiente a esa carga (en centímetros ), y S la superficie de apoyo de la semitraviesa en el balasto (en cm 2 ). Su valor oscila entre 1 y 50 Kg/cm 3 . Se considera que una vía es buena cuando el coeficiente de balasto es superior a 18 kg/cm 3 , si dicho valor está comprendido entre 10 y 17 kg/cm 3 , se considera aceptable, y por debajo de

10 kg/cm 3 1a via es mala. El factor que mayor influencia tiene sobre los valores de los parámetros anteriores es la calidad de la plataforma .

178

CAPíTULO VIII. - COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA d) Relación entre los diferentes

para metros.

Si UL" es la distancia entre los ejes de dos traviesas consecutivas , se pueden establecer de manera aproximada las siguientes relaciones entre los distintos parámetros elásticos de la vía:

CS P K =; p=CS ; K = L L

2. CÁLCULO VERTICAL DE LA VíA. 2.1. Proceso de cálculo. El proceso de comprobación de la capacidad resiste nte de un carril comprende los siguientes pasos: - Cuantificación de las acciones. Para su evaluación en un caso general y estar del lado de la seguridad , pueden utilizarse valores máximos como los que se incluyen a continuación . Selección de las hipótesis más desfavorables. Cálculo de las tensiones que aparecen en el carril. Comparación de la tensión existente con la máxima admisible. La tensión total que aparece en un carril se puede obtener como suma de cuatro términos:

(J r= 1,5 a¡ + a ,+ a r + a ~ 0 1 ;;;

Tensiones debidas a los esfuerzos de flexión , considerando las cargas dinámicas.

al ;;; Tensiones debidas a los esfuerzos de térmicos. En un caso general, puede considerarse un incremento térmico de 40°, que origina una tensión de unos 800 kg/cm 2 .

ar ;;;

Son tensiones residuales que se producen durante el proceso de fabricación del carril.

Se considera también un valor máximo: 500 kg/cm 2 .

179

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA Oc =

Tensiones debidas a la presencia del carril en una curva. Cuando el carril se sitúa en

una curva, requiere ser flexionado para acomodarse al trazado. Se considera un radio pequeño, que produce una tensión de unos 400 kg/cm 2 .

El coeficiente de valor 1,5 por el que se multiplica

Uf

se emplea para tener en cuenta el

efecto de la flexión trasversal , producida por el contacto entre pestaña y carril en las curvas. Es preciso añadir que el cálculo se realiza para un ca rril, por lo tanto únicamente hay que considerar las cargas transmitidas por una rueda , no por el eje completo.

2.2. Cuantificación de las acciones. Dado que se pretende calcular el carril frente a los efectos producidos por las cargas verticales, el valor de estos esfuerzos viene condicionado por su origen .

2.2.1 . Cargas estáticas.

La carga estática (Qe) es la carga máxima por rueda que el material móvil transmite a la via . Por lo tanto, será la mitad del peso del eje más pesado del tren, que es el peso de uno de los ejes motores.

2.2.2. Cargas cuasiestáticas.

Como ya se vio en el apartado anterior, el valor de la máxima carga vertical cuasiestática se halla mediante la fórmula:

HPI __ = H2QI s Q« ! 1 ~ _ ,

a

H, = Altu ra del centro de gravedad del vehículo (m). P = Peso por eje del vehículo (t).

o, = Carga estática máxíma por rueda del tren (t) I = Insuficiencia de peralte (m). a = Distancia entre ejes de los carriles (m).

180

~

a

CAPíTULO VIII. - COMPORTAMIENTO MECANICO DE LA VíA 2.2.3. Cargas dinámicas. Las cargas dinámicas que aparecen durante la circu lación del material no son constantes, sino que son de naturaleza variable. Su estudio se real iza estadísticamente, de forma que

en lugar de calcular la magnitud intrínseca de las cargas dinámicas, se supone que las cargas de la vía se ajustan a una distribución normal, con un valor medio correspondiente a las cargas estáticas y una mayor o menor desviación típica, debida a los efectos dinámicos. De este modo, se evalúa la desviación típica que introducen los efectos dinámicos cuando circula un determinado tren por una determinada vía, y para el cálculo de la carga máxima que puede actuar sobre el carril se suma a la carga

Qe

estática el valor correspondiente a 20, de manera que en el 95% de las ocasiones el valor de la carga sobre el ca rril quedaría por debajo del valor de cálculo. Si se desea una fiabilidad mayor, entonces se suma 30, que corresponde a un nivel de confianza del 99 ,7 %.

~=:::::::_-+----1~~

020 Figu ra 8.6. Función d e d istribu ción de las cargas

Masas no suspendidas. El sistema eje-carril se comporta como una masa puntual sobre un resorte de constante p. Por lo tanto, la frecuencia propia del sistema es función de la rigidez de la vía y del valor

,. "0 . _ .

de las masas no suspendidas, y viene dada

,' 9

por:

f~-I J P

Fuente : Lorenle (2004 )

Figura 8.7. Modelo del sistema eje-carri l

2 7r

M ...

Unos valores típicos de la masa no suspendida y de la rigidez de la vía son 1,6 t Y 3 tlmm respectivamente. Para estos valores, se tiene para la frecuencia propia del sistema:

f~I

2 7r

tf

-~I

M ...

2 ír

310' N/m

1.600kg

~21, 8 H=

I

r~-~ 004 6s

f

'

----------------------------------------------~~

181

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA Se muestra a continuación lo que sucede para lo s distintos tipos de desgaste del carril: •

En el caso del desgaste corto , con una longitud de onda de 6 cm , y suponiendo que un determinado tren circula a 100 km/h, se obtiene un periodo de circu lación de:

l.

0,06 m

V

27, 7 mis

r ~

•

0,002 5

En el caso del desgaste ondulatorio largo, con una longitud de onda de 1,25 m, y suponiendo que un determinado tren circula a 100 km/h, se obtiene un periodo de ci rculación de: l. r ~-~

V

1,25 111 27,7 mis

0,045 5

En este último caso se observa que el periodo es simil ar al del conjunto rueda-carril, lo cual induce a que el sistema entre en resonancia, aumentando las cargas dinamicas que sufre la

vía y favoreciendo el aumento del desgaste del carri l. Por lo tanto, es preci so real izar el amolado de la vía en cuanto se detecte la aparición de estos defectos. En general, se aprecia que la magnitud de las cargas dinámicas depende del estado de con servación de la ví a y de la velocidad de circu laci ón del tren . La desviación tí pica correspond iente al efecto de las masas no suspendidas puede evaluarse po r la fórmula :

am ~ 0,0042 b V Jm m P b ;;; mm de desnivelación en cuerda de 3 metros.

v ;;; velocidad de circulación en km/h mns ;;; masa no suspendida en toneladas. p ;;; rigidez de la vía en tlmm O'ns ;;; desviación típ ica de las masas no suspend idas, en toneladas. Los valores de b suelen estar comp rendidos entre 1 y 3 mm, valores extremos que aparecen en función de que la vía se encuentre en buen estado o en muy malas cond iciones.

182

CAPiTULO VIII.- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA ViA Masas suspendidas.

La frecuencia propia de los vehículos modernos toma valores del orden de 0,5-1,5 Hz en el caso de los coches de viajeros y hasta 5 Ó 6 Hz en el caso de los vagones. En este caso, si la velocidad de circulación es de 100 km/h, los defectos de la vía que causarían problemas de resonan cia deberían tener una longitud de onda de unos 27 m, defectos que no deben producirse con una vía bien nivelada. En general, se puede decir que no hay problemas de resonancia. La desviación típica correspondiente a las masas suspendidas puede evaluarse por la fórmula:

v

(J

•

= 02--/11 '200 •

v ::; velocidad de circulación en km/h

ms ::; masa suspendida en toneladas. Una vez conocida la desviación típica correspondiente a ambos tipos de masa, y dado que sus efectos son estadísticamente independientes entre si, pueden combinarse mediante la raíz cuadrada de la suma de sus cuadrados, resultando:

2.2.4. Carga total.

De esta manera , la máxima carga que actuará sobre un carril determinado, situado en una curva, con un nivel de confianza del 95%, será igual a la suma de la carga estática, más la cuasiestática, más dos veces la desviación típica dinámica. ___ __ t:t + 2 Ú d OD= Qc + 0

183

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

2.3. Cálculo de las tensiones que aparecen en el carril. Modelo de la vía :

Un modelo sencillo de la vía para el cálculo vertical de la misma es el de ZimmermannTimoshenko, propuesto en 1915, y cuyos resu ltados analíticos fueron contrastados con datos experimentales y comprobada la concordancia entre ambos. Este modelo es adecuado cuando la distancia entre traviesas es pequeña , tal y como ocurre en los diseños actuales . En este modelo se estudia el comportamiento del carril sobre traviesas como una vig a flotante, es decir, se supone que la vía con trav iesas se comporta como una viga continuamente apoyada sobre un suelo para el cual se emplea el modelo de Wink ler: en cualquier punto de la vía "x" la reacción que se produce

"f"

será igual al producto del módulo

de la vía "K" por la flecha vertical en ese punto "z":

r(x) = K ·z(x)

Fuente: Lorente (2004) Figura 8.8. Mode lo para el calculo de los esfuerzos

Ecuación de equilibrio:

Si se considera un elemento diferencial y se plantea el equilibrio de esfuerzos en el mismo, se tiene: T + Kz dx = T + dT;

dx --T M

l)

( 1i¡1il1

M + (T + dT) dxl2 + T dxl2 = M + dM; M+dM

T + dT

K Fuente: Lorente (2004) Figura 8.9. Equ ilibrio en un el emento diferencial

184

dT/dx = Kz;

Tdx + dT dxl2 = dM; (despreciando orden ) T dx = dM ; dMl dx = T

inf. 2'

CA PíTULO VII/. - COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA Hipótesis de Navier:

Si se supone que en [a rigidez a fl exi ón de la vía en el pl ano vertical sólo contribuyen [os ca rriles, es decir, se desprecia la rigid ización proporcionada por las traviesas (hipótesis que

resulta en [a realidad bastante aceptable), se tiene que:

d' z =0 d x'

M + EJ -

M = momento flector z ;; flecha vertical E = módulo de Young del carril I ;;; módulo de inercia del ca rril Ec uación de gobierno del problema de la viga flotante : De las ecuaciones de equilibri o se deduce que:

8r

= Kz

8x 8M =

8x

r => 8' M 8x'

=

8r 8x

y teniendo en cuenta la hipótesis de Navier, se ded uce la ecuación difere ncial de la viga flota nte:

d' z

E I - + K z=O

dx'

Condiciones de contorno y resolución de la ecuación diferencial :

Suponiendo la viga indefinida y sometida a una carga puntual "Q", cuyo punto de aplicación es tomado como origen, se puede proceder a la integración de la ecuación diferencial de la

185

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA viga flotante. Los resultados obtenidos (para cortantes, momentos f1ectores o flechas) son sinusoides fuertemente amortiguadas de la misma longitud de onda, con los valores máximos de los esfuerzos y las flechas en el punto de aplicación de la carga. El valor de dicha longitud de onda es de:

Como se puede observar en la figura 8.10, las amplitudes disminuyen rápidamente, de modo que a partir de una distancia mayor que N2 la influencia de una carga puntual "Q" es prácticamente despreciable. En función de los valores de K e I se obtienen diferentes longitudes de onda. Para unos valores normales, por ejemplo K = 1.000 kg/cm' e I = 2346 cm 4 se obtiene un valor de A=4,2 m. Por lo tanto, se puede concluir que los efectos (flechas, cortantes o flectores) generados por las ca rgas de una determinada llanta no llegar a superponerse con los de la llanta siguiente, pues la distancia entre ejes es superior a los valores normales de N2.

Fuente: lorente (2004) Figu ra 8.10. Flechas y esfuerzos cortantes y f1ectores en la viga flotante

Por los motivos expuestos anteriormente , se pueden determinar los valores máximos de los esfuerzos y de la flecha considerando únicamente la carga de una rueda sobre el carril. Esos valores máximos, los cuales se producen en el punto de aplica ción de la carga, viene n determinados por las expresiones siguientes:

M 186

=

= d'i º" ~EI º" 2 K ' T= =

CAPíTULO VIII.- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA E

= Módulo de Young del carril (Vm').

= Módulo de inercia del ca rril (m4 ) . K

= Módulo de la via (Vm' ).

0 0 = Carga dinámica (t). Extrapolando los resultados anteriores a una viga apoyada sobre traviesas, y teniendo en

cuenta que K =p I L, donde L es la distancia entre traviesas y p la rigidez de la vía, se pueden obtener las siguientes expresiones para el momento f1ector máximo, la flecha máxima y la reacción en la traviesa (Ro):

Cálculo de las tensiones en el carril:

Una vez conocido el valor del momento flector máximo, se puede calcular la tensión del carril dividiendo el momento flector por el módulo resistente del carril :

M =,

(J=--

úJ

2.4. Tensiones admisibles. Se admite como tensión admisible en el carril [a tensión correspondiente al 90 % del límite elástico del acero. Por lo tanto, en los carriles habitualmente utilizados los límites son: 2

Acero normal:

O adm

= 3.800 kg/cm

Acero duro:

O adm

= 5.000 kg/cm 2

2.5. Tensiones tangenciales . Aplicando el criterio de Van Mises, resulta que la tensión tangencial máxima admisible tiene un valor:

187

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

T

~,

Ú "'¡m 3.800 , =.J3= .J3- = 2193 . kg/ c/11 '

Experimentalmente, se ha comprobado que la máxima tensión tangencial en el carri l toma valores del orden de un 30% del valor de la tensión de contacto normal en tre la rueda y el carril. Como la superficie de contacto entre la llanta y el carril es una elipse de 1 cm 2 , considerando una carga por eje de 20 t, la tensión originada será:

IOOOOkg 2 1 cm

Jo.OOO kg/ cm' ; r =O,3'h=3.000kg/ cm '

La tensión tangencia l que aparece es superior al límite elásti co del material. Por lo tanto, en la superficie de contacto, el carril se plastifica y se desgasta .

2.6. Cá lc ul o de las traviesas . La reacción estética en la traviesa puede determinarse con el modelo de ZimmermannTimoshenko mediante la siguiente expresión:

En general, el comportam iento de las traviesas es mal conocido. En cualquier caso, se puede admitir un coeficiente de reparto de la carga en el carril "R" sobre las traviesas ad yacentes, tal y como se muestra en la figu ra 8.11 . La reacción estática RE suele tomar valores del orden del 30 al 60% de la carga estática Q E.

R

Fuente: Lorente (2004 ) Figura 8.11. Reacciones en las traviesas frente a una carga puntual

188

CAPíTULO VIII. - COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA La estimación de las reacciones dinámicas se rea liza a partir de la reacción estática, afectando a esta última mediante dos coeficientes:

El coeficiente
el carril son dinámicas. En cualquier caso, estos coeficientes suelen tomar los valores que se muestran a continuación:
1

= Coeficiente en función de la ve locidad:

<1>1 = 1,50 si V < 140 km/h <1>1 = 1,75 si V > 200 km/h

El reparto de estas cargas sobre el balasto es más difícil de determinar. Una aproximación

cons iste en estimar que el área de reparto de la carga se corresponde con un ancho eficaz igual a dos veces la distancia entre el punto de apoyo del carril y el borde exterior de la traviesa. De todos modos, no es bien conocido el comportamiento de las traviesas, de forma que en varios países se añade otro coeficiente
e

Fuente: Lorente (2004)

Figura 8.12. Reacc iones en las travi esas frente a una carga puntual

189

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

2 .7. Ejemplo. Calcular la tensión que sufre un carril cuando circula una locomotora con una carga por eje de 20 t, correspond iendo un 16% a la masa no suspendida , a una velocidad de 100 km/h por

una curva de 500 m de radio . Carril UIC - 54. - Carga estática:

Qe ; 10 tlrueda. - Carga cuasiestática: Suponiendo una altura del e.d.g. de la locomotora de 2 m, se tiene:

a; (V'/R - gz/a ) ; (27 .72 / 500 - 9.8 0.16 / 1,74); 0.634 mis' 1; a a I g; 0,6341,74/9 ,8; 0,112 m

22100.112

1.74'

1.48 r/rueda

- Carga dinámica. Suponiendo los siguientes valores:

p ; 5 tlm m

V ; 100 km/h m" ; 1,6 t ; m, ; 8,4 t (por rueda )

a ~ ~ 0,0042 b V .Jm ~ p ~ 0, 0042 1100 ,/1,6 5 ~ 1,2 r V

100

a , ~ 0,2 200m, ~0,2 2008,4~0,84¡

190

CAPíTULO VIff.- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA Para un intervalo de confianza del 95% se tiene: Q " ~Q. + Q~+ 2ú "~ /0 + 1 . 48 +2 1.46 ~ /4.41

El momento flector ocasionado por dicha carga vale:

14.400 kg 212

2.110' kgl cm ' 2346 cm' 60 cm 50.000 kg!cm

2.510' kg. cm

La tensión que aparece debida a las cargas de flexión será:

M mu

17 ~ - - ~

2,5·lO

w

279

j

896 kgl cm'

La tensión total debida a todos los efectos (suponiendo valores máximos), será:

ú , ~ 1.5 ú ,+ Ú , + Ú , + ú.

~

1.5 ·896 + J700~ 3.050 kgl cm '

3. CALCULO VERTICAL DE LAS CAPAS DE ASIENTO. 3.1 . Método de cá lculo. Inicialmente el comportamiento de las capas de asiento y de la plataforma fue estudiado mediante formulaciones teóricas, sobre las cuales se fue detectando la necesidad de introducir ciertas consideraciones empíricas deducidas tras la experiencia en el empleo de dichas formulaciones. Posteriormente fue desarrollado un modelo numérico del sistema vía-cimiento mediante el método de los elementos finitos , llevándose a cabo los análisis estructurales con diferentes parámetros, los cuales se fueron calibrando con el tiempo para adaptar los resultados del modelo numérico a los resultados experimentales que se fueron

observando

en

simulaciones reales a gran escala. De este modo, se ha llegado a la elaboración de una serie de curvas y tablas que permiten rep resentar adecuadamente el comportamiento de las capas de asiento y que permiten obtener de una manera sencilla y práctica las tensiones a que se encuentra sometida la plataforma. El modelo de cálculo empleado fue el que se representa a continuación:

191

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERRO VIARIA

Balasto E == 25 cm Subbalasto. E variable (entre O y 40 cm)

Arena. E = 15cm

Platafonna. E == 70 cm

Cimenta.clón riglda Figura 8.13. Modelo empleado para el cálculo de la s capas de asiento

Los parámetros geotécnicos empleados en el modelo para definir el comportamiento

elastoplástico de los diferentes materiales presentes en el mismo son los siguientes:

e (Kp/cm')

cp (Grados)

0,2

O

45

2000

0,3

O

35

1000

0,3

O

30

Suelo A (Qs1)

125

0, 4

0,15

10

Suelo B (Qs2)

250

0,3

0,1

20

e (Qs3)

800

0,3

O

35

E (Kp/cm ')

u

Madera

250000

0,25

Hormigón Armado

300000

0,25

Hormigón Pretensado

500000

0,25

Balasto

1500

SubbaJasto

Arena

Traviesas

Suelo

Tabla 8.1 . Para metros geotecmcos de los matenales

192

CAPiTULO VIII.- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA ViA Se empleó asimismo carri l UIC-60 y separación entre traviesas de 0,6 metros. El reparto de las cargas sobre las traviesas se corresponde con el representado en la figura 8.11, sobre el cual se puede añadir que resulta muy poco sensible a la rigidez de la plataforma y al tipo de traviesa. Los parámetros que realmente más influyen en los resultados son la clase geotécnica del suelo de la plataforma, el espesor de las capas de asiento y la longitud de las traviesas. Por ello, a partir del modelo se desarrollaron unas curvas que relacionan la tensión dinámica que aparece en la plataforma en función del

t ~po

de suelo que constituye la misma, el espesor de

las capas de asiento y el tipo de traviesa. El gráfico resu ltante se muestra en la figura 8.14.

o

0, 5

1,5 Cbarl (Ov din max

30

':'0

50

60

70

60

90 A

100

(cml Cel

_ _ Traviesas de madera (2.6 m) ---•••- Traviesas de hormigón (2,2 - 2,6 m) Fuente: Losada (1994) Figura 8.14. Ábaco para la determinación de las tensiones en la plataforma

193

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA En los primeros dimensionamientos, que se hacían empleando las formulaciones teóricas, se comprobaba que las tensiones en la plataforma fueran inferiores a la capacidad portante de la misma . Sin embargo, en la práctica es necesario que el cimiento sea solicitado muy por debajo de los límites de rotura para evitar un mantenimiento de la vía demasiado frecuente. El modelo descrito fue calibrado con datos reales para un coeficiente de mantenimiento de la infraestructura de 1, una vía con tráfico del grupo 2 de la UIC y una carga por eje de 20 toneladas, de manera que modificando los espesores de balasto y subbalasto para cada uno de los tipos de suelo se obtuvieran unos resu ltados satisfactorios para el comportam iento de la vía. Así, la máxíma presión dinámica que puede soportar la plataforma en cada uno de los tipos de suelo de manera que el comportam iento de la vía sea el deseado es la siguiente:

Kc = 1 OS1:

0,190 kglcm'

Kc = 0,5 OS1 : 0,163 kglcm'

OS2: 0,400 kglcm'

OS2:

0,347 kglcm'

OS3: 0,740 kglcm'

OS3:

0,640 kglcm'

Tabla 8.2 . Maxlmas tenSiones dmamlcas en la plataforma

En la tabla se muestran las máximas tensiones que puede soportar la plataforma para que su coeficiente de mantenimiento sea 1. Este coeficiente da información sobre la calidad de la cimentación de la vía, y se define como el cociente entre el número de intervenciones necesarias para mantener la nivelación de la vía en un punto determinado (1) y el valor medio del número de intervenciones necesarias en tramos con unas características de tráfico, edad y estrategia de mantenimiento comparables.

Basándose en este coeficiente de mantenimiento se han desarrollado en EEUU , para el caso de la s autopistas las leyes de Dormon , que relacionan el tráfico, este coeficiente de mantenimiento y la tensión en la plataforma. Son leyes empíricas, que aunque desarrolladas para carreteras , se pueden aplicar al ferrocarril.

194

CAPíTULO V/II.- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA •

1a ley: Dos tramos de vía homogéneos sometidos a tráficos diferentes (t y t') presentan el mismo valor de Kc si se cumple que:

cr y cr' :;; tensiones sobre la plataforma •

23 ley: En dos tramos de vía que presenten el mismo tráfico se establece la siguiente

relación entre sus coeficientes de mantenimiento y las tensiones sobre sus plataformas:

De este modo, cuando se realiza una operación de mantenimiento en una línea antigua , se pretende conseguir al menos un Kc = 1, siendo deseable conseguir un Kc = 0,5, que es el objetivo que se busca en las líneas de nueva construcción.

3.2. Ejemplos. a) Una vía construida sobre una plataforma QS2 se comporta de forma que el coeficiente de mantenimiento es Kc :: 0,9. Esta vía soporta un tráfico T, y se desea aumentar este tráfico hasta un valor de 1,5 T, pero manteniendo el valor de Kc. ¿Qué espesor de balasto hay que añadir a la vía? Se sabe que la tensión correspondiente a Kc = 1 es de 0,4 kg/cm 2 . Aplicando la 2a ley de Dormon se obtiene la tensión que aparece en la plataforma:

(0,9 )'·' .' °, 391 ( ~) 0,4 I =

(J

=

K,, / cm' ..,

Aplicando la 1a ley se calcula la tensión máxima que puede llegar a la plataforma para que el coeficiente de mantenimiento se mantenga:

195

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

_(_/~)O.2 ;a = 0,36 Kg / cm2 ( ~) 0,39 1,5'1

Entrando en las curvas para una tensión de 0,391 Kg/cm 2 y una traviesa de hormigón de 2,5

m de longitud , le corresponde un espesor (ficticio) de 40 cm y para una tensión de 0,36

kg /cm 2 un espesor de 45 cm; por lo tanto, habría que añadir 5 cm de balasto. b) Una vía tiene actualmente un coeficiente de mantenimiento Kc = 3, Y se quiere mejorar

hasta Kc= 1. El suelo de soporte es de categoría OS2. La tensión admisible para Kc = 1 es de 0,4 kg/cm', lo que para una travíesa de 2,5 m, supone un espesor de 40 cm de capas de asiento. La tensión que soporta actualmente:

(OIJ,4) = ( _31)"

; IJ

= 0,5

Kg l cm'

A esta tensión, extrapolando en las curvas, le corresponde un espesor ficticio de 32 cm aproximadamente, por lo que habría que añadir 8 cm de balasto a la vía.

4, CALCULO TRANSVERSAL DE LA VíA. 4.1 . Solicitaciones. El cálculo de los esfuerzos transversales estáticos que aparecen un tren responde a la siguiente ecuación diferencial:

d'y dx'

EI- +

d'y de dx' dx

F--- + r~O

y ;; deformación transversal. El ;; rigidez transversal del conjunto de la vía. F ;; fuerza longitudinal que actúa en la vía. T

;;

reacción trasversal del balasto.

e ;; resistencia de la traviesa a girar sobre el balasto. 196

s~b re

la vía cuando circula

CAPíTULO VIff,- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA

H

4_'_-

)

CdX

+~ .

T.dT

) M.dM

- - - - - - - - - - 4dy dx

Fuente : Losada (1994) Figura 8.15. Esfuerzos en la vía cuando es solicitada transversalmente

Casi todos los parámetros que intervienen en la ecuación anterior son muy poco conocidos, así como la propia carga transversal que actúa sobre la vía (H). Por lo tanto, si ya de por sí la ecuación estática quedaría bastante indeterminada, el problema dinámico resulta completamente inabordable, pues además habría que introducir fenómenos de alta complejidad como es el movimiento de lazo, los impactos, etc. Por todo ello, para el cálculo de las solicitaciones transversales que actúan sobre la vía son empleados métodos empíricos, los cuales han sido definidos a partir de resultados estadísticos. De este modo, la carga transversal H se calcula como la suma de dos términos: •

Carga transversal debida a la fuerza centrifuga (t):

P = Máxima carga por eje del tren (t), I = Insuficiencia de peralte (m), a = ancho de via (m),

197

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA •

Carga transversal debida a los esfuerzos dinámicos (t):

PV

H = --

1.200

P = Maxima carga por eje delIren (1).

v = Velocidad de circulación (km/h) . 4.2. Resistencia transversal de la vía. Como ya se ha comentado , el análisis teórico resulta complejo y poco representativo. Por lo tanto , se han llevado a cabo análisis experimentales del proceso de deformación de la vía cua ndo está cargada.

El primero de ellos consiste en aplicar una carga transversal por medio de un vagón descarrilador, que es capaz de aplicar una carga transversal a través de un eje central cargado. Cuando se aplica esta carga, la deformación de la vía es de la siguiente forma:

-=~~

..... ...... ... _
.. .... ...... .

Fuente: Lorente (2004)

Figu ra 8.16. Deformación transversa l de la vía

La deformación tiene un máximo en el punto de aplicación de la carga , y unas zonas anterior

y posterior en las que la deformación tiene sentido contrario. Si se aumenta paulatinamente la carga , la deformación máxima va creciendo siguiendo la siguiente curva:

198

CAPíTULO VIII.- COMPORTAMIENTO MECANICO DE LA VíA

H

Fuente: lorenle (2004) Figura 8.17. Re lación entre la deformación de la via y la carga transversal aplicada

Existe un valor de H, llamado H crítica (He), a partir del cual pequeños incrementos de carga producen un gran aumento de la deformación. En el valor de He tiene gran importancia la carga vertical máxima por eje que admite la vía, y su va lor puede estimarse mediante la siguiente expresión:

Posteriormente se procedió a la medición de la deformación que aparece tras el paso repetido de dicha carga horizontal, realizando la media de la deformación existente tras el paso de un número determinado de ejes "n". Los resultados mostraron que para cargas H por debajo de la crítica, la deformación se estabilizaba y tendía a una asintota horizontal; sin embargo, existe un valor critico de la carga "L" por encima del cual las deformaciones crecen indefinidamente.

199

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

H > He

e

n Figura 8.18. Deformación de la vía para ciclos de diferentes cargas transversal es

Este valor de H a partir del que la concavidad de las curvas cambia de sentido se denomina Resistencia Lateral de la via (L), y puede estimarse mediante la fórmula:

L=l+O,25P Como se desprende de la anterior fórmula , L depende de P (carga por eje admisible), que es

función de los siguientes factores: a) El tipo de vía , fundamentalmente el tipo de traviesa. Las vías con traviesas de hormigón son mucho más resistentes que las vías con traviesas de madera (aproximadamente un

20%). Los carriles más pesados también aumentan la carga admisible y la resistencia lateral de la vía. b) El hombro de la banqueta de balasto. Cuanto mayor es, mayor resistencia lateral alcanza la vía. e) La estabilización de la vía. Cuando se realiza una operación de mantenimiento de la vía ,

ésta se encuentra desestabilizada, lo que implica una fuerte disminución de la resistencia lateral. A medida que circula el tráfico , se va compactando el balasto y se consolida la vía , de manera que aumenta considerablemente la resistencia lateral. Tras circular unas 3.000 t,

200

CAPíTULO VIII.- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA el valor de L aumenta un 30 %, Y tras 100.000 t llega a aumentar hasta el 80%. A veces se aumenta la estabilidad mediante un compactado del balasto tras el bateo.

L

Figura 8.19. Variación de la resistencia lateral de la via con el trafico tras las operaciones de mantenimiento

Tras realizarse un ajuste estadístico, se llegó a la siguiente expresión para la determinación

del valor de L en función del tráfico (T) que haya circulado sobre la vía desde su última nivelación : T

L = Par l - be'T o) "a", "b" Y "To" son constantes cuyo valor oscila según el tipo de vía: a: toma valores entre 1,3 Y 1,8. b: valores entre 0,4 y 0,5 To: valores entre 50.000 y 80.000 t.

No obstante, existe un límite inferior de L que nunca se ha alcanzado tras numerosos ensayos efectuados, el cual viene cuantificado por la siguiente expresión :

P: carga admisible de la via.

201

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA Por lo tanto , para los cálculos se adopta este valor de L como resistencia lateral máxima de la vía (ya que nunca ha sido sobrepasado), por debajo de la cual deberá estar la solicitación

transversal H. En la siguiente tabla se muestran las cargas por eje admisibles en las líneas de la red

ferroviaria española de ancho ibérico e internacional. La mayor parte de las líneas son tipo

e ó D.

TIPO DE LiNEA

CARGA MÁXIMA POR EJE (t)

A

16

B

18

C

20

D

22 ,5 Fuente. ADIF (2005)

Tabla 8.1 9. Clasificación de las lineas de la red ferro viaria española según su carga admisi ble

4.3. Ejemplo. Se autoriza la ci rculación de una locomotora a una determinada velocidad V si se cumple

que a una velocidad V + 10 kml h el esfuerzo H es menor que L = 0,85 ( 1 + P/3 ). Se quiere comprobar si se puede autorizar a la locomotora del ejemplo 2.7. a circular a 200 km/h por una curva de radio 2.000 situada en una línea tipo C .

Por lo tanto, se debe realizar el cálculo para una velocidad de 210 km/h.

a=

(21 0/ 3,6;' 9,8 O, 16 2.000 1,74

O,8 m//

1 = 0,81,74 9,8

0,/ 42 m

Como la linea es tipo C, la carga admisible es de 20 t, se tiene L = 6,5 t.

H = I , 200, 142 + -20210 = 1, 95 + 3,J= ' J,45tn ' < 6, J{ , - 1,74 1200 Puede concederse la autorización.

202

CAPíTULO VIII. - COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA

5. CALCULO LONGITUDINAL. 5.1. Esfuerzos. Los esfuerzos longitudinales son principalmente de dos tipos: de frenado y arranque, y térmicos. Los primeros no son de gran magnitud, el carril es capaz de aguantarlos sin problemas, pero debe impedirse el deslizamiento del carri l sobre las traviesas en puntos muy conflictivos (inclinaciones muy fuertes) con dispositivos antipatinaje. Los esfuerzos térmicos, de mayor entidad que los anteriores, pueden producir el pandeo de la vía.

5.2. Cálculo de la resistencia a pandeo del carril. En el caso de una vía sin defectos de nivelación ni de alineación, la fuerza critica de pandeo se puede determinar mediante el método de Euler:

Siendo

~ K"

el módulo de vía , y

"E~

e "1" los módulos de Young y de inercia del carril. Este

valor de la fue rza crítica para unos valores habituales de la via sería:

J

F ~ 2 1.000 kg/ cm' 2,IIO'kg/ cm' 2346 cm' ~ 4.440 la' kg ~ 4.440 I Se observa por lo tanto que, si la vía no tiene defectos, no pandea. Sin embargo, sí que puede pandear si tiene defectos de nivelación ó de alineación. Si se considera una longitud de vía L que presenta un defecto de alineación h, se tiene que la fuerza crítica de pandeo viene dada por:

q

F ~ J8qEl

~ wut~t!Jííttíía¿ L Fuente: lorenle (2004)

h q = fuerza que se opone al movimiento lateral. h = defecto de alineación de la vía. E, 1, = Modulo de elasticidad y de inercia del carril.

Figura 8. 20. Vía con defecto de ali neac ión

203

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA La longitud crítica de pandeo viene dada por la expresión:

Lógicamente si L fuese menor que Le existiria riesgo de pandeo, y si fuese mayor el caso sería similar al de una vía sin defectos. El pandeo se puede producir en dos planos, el vertical y el horizontal.

•

En el plano vertical, "q" se corresponde con el peso propio del carril, e "1 = 2 Iv", donde "Iv" es la inercia vertical del carril.

•

En el plano horizontal, "q" es la resistencia del balasto al deslizamiento horizontal, e "1" tendría un valor de "1 = 2 A

e 2 " si tas traviesas y el carril estuviesen rígidamente

I

unidos ("A" es el área de un carril y "e" el ancho de vía). Como no es así, este valor

se ha determinado experimentalmente, obteniéndose valores que se sitúan entre 2.000 y 4.000 cm

4

,

es decir, del orden de 4 a 8 veces la inercia horizontal de un

carril.

5.3 . Ejemplo. Se considera un carril soldado UIC-54 montado sobre traviesas de hormigón pretensado monobloque, con un peso de 300 kg cada una, situadas a 60 cm entre sí. El carril sufre un incremento de temperatura de 30 oC.

La fuerza crítica de pandeo respecto al plano vertical viene dada por:

q

=2 • 54 kg /m (carril ) + 300/0,6 kg /m (Traviesas) =608 kg/m =6,1

kg/cm

z = 5 cm en 20 m (La tolerancia maxima es de 1 cm en cuerda de 20 m)

18 6.12,II O , ' 22346 F __ )8 Q=El __ V

307. 00 " 6 k'g~ 307, 5 1

O

El esfuerzo térmico valdría:

204

j

CAPíTULO VI/I.- COMPORTAMIENTO MECANICO DE LA VíA

El coeficiente de seguridad frente al pandeo en llano sería: y

=307,5 / 97 =3,17

En el caso de que existiera un acuerdo vertical de radio 15.000 m, el peso aparente q' sería:

qt = FtI R = 97 / 15.000 = 0,006 Um = 0,06 kg / cm q' = q - qt = 6,1 - 0,06 = 6,0 kg / cm A partir de aquí, deberían rehacerse los cálculos para este valor de q' y hallar el nuevo

coeficiente de seguridad. De todos modos se aprecia que, debido a lo pesada que es la vía

y la amplitud de los radios de los acuerdos verticales , la resistencia de la vía frente al pandeo vertical apenas se vea afectada por las curvas del perfil longitudinal del trazado. No ocurre lo mismo con el pandeo de la vía en el plano horizontal, donde la magnitud de los

radios de las curvas (con radios minimos de hasta 300 m, por ejemplo) hace que los esfuerzos térmicos originen una resultante radia l que puede provocar el pandeo de la vía y

por lo tanto hacerle perder su geometria (ver figura 6.12.).

205

CAPiTULO IX.- BIBLlOGRAFiA

R-598 realizando un servicio Almería-Granada-Sevilla en Iznalloz (Granada). Mayo de 2005.

207

Distribuido por:

Calle W OC 8 úrmen,

Link Su enlac:e al conocimiento [email protected]

1.)

..,

\.:. \ _ .

fl

frlif. """" Do. " ' PIso 2 Oí. 2-0 Los Dos úrrWIos • Cmas Có