Una introducción al ferrocarril. Volumen I: elementos constituyentes de la superestructura

VOL. I

VOL. II INGENIERÍA CIVIL

UNA INTRODUCCIÓN AL FERROCARRIL

VOLUMEN I: ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE LA SUPERESTRUCTURA Ricardo Insa Franco | Pablo Salvador Zuriaga | Pablo Martínez Fernández Ignacio Villalba Sanchis | Carla García Román

CIVIL

INGENIERÍA CIVIL CI I

L INGEN A CIVIL I ENIERÍA L INGEN A CIVIL I ENIERÍA

INGENIERÍA

EDITORIAL UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA

ERÍA

Una introducción al ferrocarril Elementos constituyentes de la superestructura (Vol. 1 )

Ricardo Insa Franco

Pablo Salvador Zuriaga

Pablo Martínez Fernández

Ignacio Villalba Sanchis

Carla García Román

EDITORIAL UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA

201

Colección Manual de Referencia

Los contenidos de esta publicación han sido revisados mediante el sistema doble ciego, siguiendo el procedimiento que se recoge en: http://www.upv.es/entidades/AEUPV/info/891747normalc.html

Primera edición, 2016 (versión impresa) Primera edición, 2016 (versión electrónica)

© Ricardo Insa Franco Pablo Salvador Zuriaga Pablo Martínez fernández Ignacio Villalba Sanchis Carla García Román

© de la presente edición: Editorial Universitat Politècnica de València distribución: Telf.: 963 877 012 / www.lalibreria.upv.es / Ref.:6251_01_01_01

ISBN: 978-84-9048-382-4 (versión impresa) ISBN: 978-84-9048-497-5 (versión electrónica)

La Editorial UPV autoriza la reproducción, traducción y difusión parcial de la presente publicación con fines científicos, educativos y de investigación que no sean comerciales ni de lucro, siempre que se identifique y se reconozca debidamente a la Editorial UPV, la publicación y los autores. La autorización para reproducir, difundir o traducir el presente estudio, o compilar o crear obras derivadas del mismo en cualquier forma, con fines comerciales/lucrativos o sin ánimo de lucro, deberá solicitarse por escrito al correo edició[email protected].

UNA INTRODUCCIÓN AL FERROCARRIL

VOLUMEN I ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE LA SUPERESTRUCTURA

ÍNDICE DE CAPÍTULOS

Volumen I: ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE LA SUPERESTRUCTURA Capítulo 1: Constitución de la vía Capítulo 2: El Carril Capítulo 3: La Traviesa Capítulo 4: El Balasto Capítulo 5: Vía con y sin juntas Capítulo 6: El sistema de fijación carril-traviesa Capítulo 7: Aparatos de vía

Volumen II: ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE LA INFRAESTRUCTURA Capítulo 1: Movimiento de tierras y pequeñas obras de fábrica Capítulo 2: Capas constituyentes de la plataforma

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PRÓLOGO El presente libro nace con vocación de servir como manual de referencia para los estudiantes de las diferentes asignaturas relacionadas con la materia de ferrocarriles. En él se recogen los conocimientos básicos y la experiencia de los autores en materia docente, así como en el ejercicio de su profesión como ingenieros encargados de la construcción, mantenimiento y explotación de infraestructuras ferroviarias. No obstante, Una introducción al ferrocarril no es sólo un manual académico que le servirá al lector para iniciarse en el ámbito ferroviario sino que pretende ser, además, un libro de consulta que sirva como guía en las fases de diseño y mantenimiento de la vía ferroviaria. Con este fin, se han separado los capítulos en dos áreas de conocimiento. La primera, titulada Elementos constituyentes de la superestructura, trata del diseño, fabricación y montaje de los diferentes elementos que forman parte de una vía: los carriles, las traviesas, el balasto, las sujeciones, etc. La segunda, Elementos constituyentes de la infraestructura, trata de la configuración y los métodos constructivos empleados en las infraestructuras ferroviarias. Para facilitar la comprensión del libro, en todos los capítulos pueden diferenciarse cuatro aspectos que, dependiendo de cada caso en particular, contienen los siguientes apartados: I.

Conceptos teóricos básicos

II.

Conceptos relacionados con la fase de proyecto: criterios de dimensionamiento

III.

Conceptos relacionados con la fase fabricación y puesta en obra

IV.

Conceptos relacionados con la fase de uso y explotación

En aquellos temas en los que se ha considerado oportuno, se han incluido también una serie de ejercicios prácticos con objeto de reforzar 9

Una introducción al ferrocarril. Volumen I. Elementos constituyentes de la superestructura

los conceptos expuestos previamente. Se busca así dar al lector, no sólo los conocimientos teóricos necesarios, sino también una aplicación práctica en cada una de las fases de la infraestructura ferroviaria.

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ÍNDICE Prólogo .....................................................................................................9 Índice ......................................................................................................11

Capítulo 1. Constitución de la vía .......................................................19 Índice del capítulo...................................................................................21 1. Introducción ........................................................................................23 2. El sistema de rodadura .......................................................................24 2.1. Cualidades generales de la vía ...................................................28 2.2. Definiciones básicas de los elementos constituyentes del camino de rodadura ..............................................................30 2.3. La importancia de la geometría de la vía ....................................34 3. Funciones del sistema de rodadura ....................................................36 3.1. Transmisión de cargas................................................................36 3.2. Los esfuerzos dinámicos ............................................................38 3.3. El guiado de los vehículos ..........................................................39 4. Parámetros que definen la sección transversal ..................................47 4.1. Ancho de vía ...............................................................................48 4.2. sobreancho en curvas.................................................................53 4.3. Entrevía ......................................................................................54 4.4. El entreeje como una definición de entrevía ...............................55 4.5. Ancho de la plataforma ...............................................................56 4.6. Gálibo .........................................................................................57 Bibliografía..............................................................................................60

Capítulo 2. El Carril ..............................................................................61 Índice del capítulo...................................................................................63 11


1. Introducción........................................................................................ 65 2. Funciones........................................................................................... 66 3. Características ................................................................................... 66 3.1. Solución de compromiso ............................................................ 66 3.2. Material....................................................................................... 70 3.3. Forma ......................................................................................... 77 3.4. Peso ........................................................................................... 84 4. Fabricación ......................................................................................... 88 4.1. Fabricación del acero. Métodos de obtención ............................ 89 4.2. Laminación ................................................................................. 91 4.3. Acabado ..................................................................................... 92 4.4. Tensiones internas residuales .................................................... 93 4.5. Defectos de fabricación .............................................................. 93 5. Criterios para la elección del carril ..................................................... 94 5.1. Recopilación de datos o condicionantes externos ...................... 94 5.2. Elección de la Resistencia a tracción ......................................... 95 5.3. Elección del tipo de perfil ............................................................ 97 6. Control de calidad ............................................................................ 102 6.1. Ensayos en fábrica ................................................................... 102 6.2. Recepción ................................................................................ 103 7. Procedimiento constructivo. Ideas básicas del montaje ................... 104 7.1. Posicionamiento de los carriles ................................................ 104 7.2. Defectos de ejecución .............................................................. 106 8. Desgaste de los carriles ................................................................... 107 8.1. Causas de los defectos de uso (o desgastes) .......................... 107 8.2. Tipos de defectos ..................................................................... 108 9. Regeneración de carriles ................................................................. 109 Bibliografía ........................................................................................... 111 12

Índice

Capítulo 3. La Traviesa ......................................................................113 Índice del capítulo.................................................................................115 1. Introducción ......................................................................................117 2. Generalidades ..................................................................................118 2.1. Definición ..................................................................................118 2.2. Funciones .................................................................................118 2.3. Formas típicas ..........................................................................119 3. Tipos de traviesas ............................................................................120 3.1. Traviesas de madera ................................................................120 3.2. Traviesas metálicas ..................................................................130 3.3. Traviesas de hormigón .............................................................134 4. Diseño de la traviesa ........................................................................141 4.1. Elección del material .................................................................141 4.2. Dimensionamiento ....................................................................142 4.3. Espaciamiento ..........................................................................145 5. Control de calidad .............................................................................147 5.1. Ensayos estructurales durante el proceso de fabricación .........147 5.2. Recepción .................................................................................147 5.3. Ensayos en vía .........................................................................150 6. Puesta en obra .................................................................................150 7. Regeneración de traviesas ...............................................................151 7.1. Regeneración de traviesas de madera .....................................151 7.2. Regeneración de traviesas metálicas .......................................152 Bibliografía............................................................................................153

Capítulo 4. El Balasto .........................................................................155 Índice del capítulo.................................................................................157 1. Introducción ......................................................................................159 13


2. Definición y conceptos generales ..................................................... 160 2.1. Definición .................................................................................. 160 2.2. Procedencia del balasto ........................................................... 161 2.3. Análisis de la distribución de tensiones a través del balasto .......162 3. Funciones del balasto ...................................................................... 165 4. Características generales................................................................. 168 4.1. Tipos de rocas de origen .......................................................... 168 4.2. Forma del balasto ..................................................................... 175 4.3. Dimensión de las piedras ......................................................... 177 4.4. Características mecánicas ....................................................... 178 5. La contaminación del balasto ........................................................... 180 6. Control de calidad del balasto .......................................................... 182 6.1. Muestreo .................................................................................. 183 6.2. Ensayos identificativos y de composición ................................. 184 6.3. Ensayos para determinar los requisitos geométricos ............... 185 6.4. Ensayos para determinar las propiedades físicas .................... 192 6.5. Componentes perjudiciales ...................................................... 201 7. Diseño de la banqueta de balasto .................................................... 201 7.1. Datos previos. Clasificación de la línea .................................... 202 7.2. Elección del material ................................................................ 206 7.3. Dimensionamiento de la banqueta ........................................... 207 8. Puesta en obra del balasto............................................................... 212 8.1. El origen del material. Las canteras ......................................... 212 8.2. Control de recepción ................................................................ 217 8.3. Puesta en obra ......................................................................... 217 9. Desgaste del balasto ........................................................................ 219 9.1. Por redondeo de las partículas ................................................. 220 9.2. Por contaminación por finos ..................................................... 221 14

Índice

10. Regeneración y reutilización del balasto ........................................221 Bibliografía............................................................................................222

Capítulo 5. Vía con y sin juntas .........................................................223 Índice del capítulo.................................................................................225 1. Introducción ......................................................................................227 2. Vía con juntas ...................................................................................228 2.1. Condiciones de trabajo .............................................................229 2.2. Tipología de juntas ...................................................................230 3. Partes de las juntas ..........................................................................231 3.1. Bridas........................................................................................232 3.2. Tornillos ....................................................................................233 3.3. Conexiones ...............................................................................234 4. Juntas especiales .............................................................................235 5. Problemática de la vía con juntas .....................................................237 6. La vía sin juntas................................................................................237 6.1. Ventajas e inconvenientes ........................................................238 6.2. Definición ..................................................................................238 6.3. Análisis teórico de la vía sin juntas ...........................................239 6.4. Aparatos de dilatación ..............................................................242 6.5. Condiciones de implantación de la B.L.S..................................243 7. Diseño de las vías sin juntas ............................................................245 7.1. Diseño de las soldaduras..........................................................245 7.2. Diseño de los aparatos de dilatación ........................................246 8. Puesta en obra y control de la vía sin juntas ....................................249 8.1. Soldadura eléctrica en taller .....................................................249 8.2. Control de recepción .................................................................250 8.3. La neutralización de tensiones .................................................252 15


8.4. Soldadura aluminotérmica in situ.............................................. 259 Bibliografía ........................................................................................... 263

Capítulo 6. El sistema de fijación carril-traviesa ............................. 265 Índice del capítulo ................................................................................ 267 1. Introducción...................................................................................... 269 2. Definición y funciones de la sujeción................................................ 270 2.1. Funciones ................................................................................. 270 2.2. Caracterización técnica y económica ....................................... 270 3. Elementos del sistema de fijación .................................................... 273 3.1. Placa de asiento ....................................................................... 273 3.2. Otro pequeño material .............................................................. 274 4. Tipos de sujeciones.......................................................................... 276 4.1. Según la disposición de elementos básicos ............................. 276 4.2. Según su naturaleza................................................................. 278 5. Diseño y elección de las sujeciones ................................................. 285 6. Control de calidad. Ensayos en sujeciones ...................................... 286 6.1. Ensayo de resistencia al deslizamiento longitudinal ................. 286 6.2. Ensayo de resistencia a la torsión ............................................ 287 6.3. Ensayo de fuerza de apriete ..................................................... 287 6.4. Ensayo de rigidez vertical ......................................................... 287 6.5. Ensayo de atenuación de cargas de impacto ........................... 287 6.6. Ensayo dinámico de carga inclinada ........................................ 287 6.7. Ensayo de resistencia a las condiciones ambientales adversas................................................................................... 288 6.8. Ensayo de resistencia eléctrica ................................................ 288 6.9. Otros ensayos .......................................................................... 288 7. Puesta en obra ................................................................................. 289 Bibliografía ........................................................................................... 290

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Índice

Capítulo 7. Aparatos de vía................................................................291 Índice del capítulo.................................................................................293 1. Introducción ......................................................................................295 2. Definición y funciones .......................................................................295 3. Clasificación de aparatos..................................................................296 3.1. Aparatos de vía sencillos ..........................................................296 3.2. Aparatos de vía compuestos y de maniobras ...........................298 4. Elementos del desvío .......................................................................300 4.1. Cambio .....................................................................................300 4.2. Cruzamiento .............................................................................304 5. Diseño de los desvíos ......................................................................307 5.1. Conceptos básicos ...................................................................307 5.2. Encaje del desvío y definición de parámetros ...........................308 5.3. Pasos para el diseño de los desvíos ........................................333 Bibliografía............................................................................................336

Epílogo ................................................................................................337

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CAPÍTULO 1 CONSTITUCIÓN DE LA VÍA RICARDO INSA FRANCO, P ABLO S ALVADOR Z URIAGA

Capítulo 1. Constitución de la vía

ÍNDICE DEL CAPÍTULO 1. Introducción ........................................................................................23 2. El sistema de rodadura .......................................................................24 2.1. Cualidades generales de la vía ...................................................28 2.1.1. Resistencia .........................................................................29 2.1.2. Flexibilidad ..........................................................................29 2.1.3. Continuidad .........................................................................29 2.1.4. Homogeneidad ....................................................................30 2.2. Definiciones básicas de los elementos constituyentes del camino de rodadura ....................................................................30 2.2.1. Infraestructura .....................................................................30 2.2.2. Superestructura...................................................................31 2.2.3. Instalaciones complementarias ...........................................34 2.3. La importancia de la geometría de la vía ....................................34 3. Funciones del sistema de rodadura ....................................................36 3.1. Transmisión de cargas................................................................36 3.2. Los esfuerzos dinámicos ............................................................38 3.3. El guiado de los vehículos ..........................................................39 3.3.1. Características generales del material móvil .......................40 3.3.2. Movimiento de lazo .............................................................44 3.3.3. Juego de vía .......................................................................45 4. Parámetros que definen la sección transversal ..................................47 4.1. Ancho de vía ...............................................................................48 4.1.1. Definición ............................................................................48 4.1.2. Ventajas e inconvenientes de la vía estrecha .....................52 4.2. Sobreancho en curvas ................................................................53 21


4.3. Entrevía ...................................................................................... 54 4.4. El entreeje como una definición de entrevía .............................. 55 4.5. Ancho de la plataforma .............................................................. 56 4.6. Gálibo......................................................................................... 57 4.6.1. Gálibos de material móvil ................................................... 58 4.6.2. Gálibo de obra .................................................................... 58 Bibliografía ............................................................................................. 60

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1. INTRODUCCIÓN En este capítulo introductorio se pretende poner de relieve que la antigua concepción del ferrocarril, ha evolucionado hacia el concepto de sistema formado por una serie de subsistemas, los cuales deben funcionar de forma equilibrada para que el sistema completo resulte aceptable. El sistema ferroviario se considera constituido por una serie de subsistemas: infraestructura, superestructura, instalaciones de control de tráfico y señalización, alimentación a la tracción, comunicaciones, los vehículos, etc. Cada uno de ellos, a su vez, resulta de una amplitud tal, que da lugar a estudios en diversas ramas del saber El sistema ferroviario, en definitiva, resulta de alta complejidad y requiere del trabajo en equipo de personas preparadas en muy distintas tecnologías. Para empezar, se analizarán una serie de características generales del sistema ferroviario como son el contacto de la rueda y el carril, su adherencia, la importancia de tratarse de un sistema guiado, el ancho de vía, el gálibo, tipo de material rodante, etc. En el caso europeo, todas estas características implican lo que se denominará “factores frontera”, que supone la inexistencia de una verdadera red ferroviaria europea. Aunque el ancho de vía en todos los países europeos fuera el mismo, los trenes no podrían circular entre muchos países pues, a este factor, se debe añadir la falta de unificación en cuanto a sistemas de señalización, instalaciones de electrificación, gálibos, normas y procedimientos de explotación y mantenimiento, idiomas, etc. Actualmente se trabaja en todos estos factores técnicos, además de los administrativos y jurídicos, para poder superar el efecto barrera que suponen. En ese sentido, las normas de interoperabilidad que se están desarrollando actualmente y desde hace pocos años, pretenden ser la base del desarrollo de una futura red europea. Entrando más en detalle, dentro del análisis del subsistema referido a la superestructura ferroviaria, se debe atender a las funciones y características de los elementos constituyentes del emparrillado y su apoyo en la plataforma. Así pues, se estudiará el carril, las traviesas, las sujeciones y el balasto y, en su caso, la vía que sustituye el balasto por otros elementos más rígidos (normalmente hormigón), dando lugar a lo 23


que se conoce como vía en placa. También se verán los aparatos de vía y su funcionalidad en la operación de vehículos.

2. EL SISTEMA DE RODADURA El camino de rodadura del sistema ferroviario o tranviario está constituido por la infraestructura y la superestructura. Cuando se habla de infraestructura de un país, entendemos como tales la mayor o menor facilidad para desplazarse a través de carreteras o sistemas férreos, pero también, los servicios postales, de electricidad, de instalaciones urbanas, etc. Pero cuando se habla de infraestructuras ferroviarias nos referimos a todas aquellas obras de tierra y de fábrica (terraplenes, desmontes, viaductos, túneles, etc.) que sirven para materializar una superficie llamada plataforma, de una determinada calidad en la cual se pueda proceder al montaje de vía con unas características definidas de calidad inicial y durabilidad. Por supuesto, la infraestructura también es la base de apoyo o alojamiento de las instalaciones que completan el sistema, como la electrificación, la señalización, las comunicaciones y todas aquellas otras que ayudan a la explotación, aunque no resulten estrictamente ferroviarias, como son escaleras mecánicas y ascensores, teleindicadores, ventilación, torniquetes, máquinas expendedoras de billetes, cámaras de vídeo, etc., casi todas ellas en estaciones.

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Figura 1.1. Construcción del puente sobre el Ebro en la línea del Corredor Mediterráneo, tramo Valencia-Tarragona.

En el subsistema que comprende la infraestructura, se contempla la realización de importantes obras de fábrica y grandes movimientos de tierras para poder materializar una superficie suficiente, sensiblemente menor que la que ocuparía una carretera, donde ubicar los materiales específicos del camino de rodadura ferroviario.

Figura 1.2. Instalaciones ferroviarias en el puerto de Veracruz, México.

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El emparrillado, constituido por el carril y las traviesas (con sus correspondientes sujeciones), descansa bien sobre un lecho de balasto, o bien, sobre una losa de hormigón (vía en placa). La vía, por tanto, está constituida por elementos de distinta naturaleza y que, en conjunto, materializan un camino de rodadura donde se producen esfuerzos muy grandes generados por las cargas que transportan los vehículos. Estos esfuerzos tienden a deformar la vía en mayor o menor magnitud, en función del tipo de vía montado, por lo que se requiere una importante labor de mantenimiento. En este sentido, una vía sobre hormigón requiere menos mantenimiento, pero más inversión inicial.Así, resulta fundamental la idea de que el coste total de un sistema, no solo es el coste de su construcción, sino también el coste de explotación y mantenimiento. Esto resulta especialmente determinante en una situación de liberalización del transporte ferroviario con líneas concesionadas ya que las empresas son las responsables de la construcción, pero también lo son de la explotación y del mantenimiento durante largos periodos de tiempo. Sobre el camino de rodadura definido circula el material móvil, que es específico de cada actividad ferroviaria. Los vehículos para viajeros se denominan coches ferroviarios, siendo los vagones el material móvil empleado para transportar mercancías. Dentro de cada uno de estos grupos también existen diferencias notables en función del servicio a prestar, teniéndose material para cercanías, media distancia, larga distancia y alta velocidd, metros ligeros y tranvías. La tipología para vagones también resulta muy amplia, en función de la mercancía trasportada, de la forma, pesos, materiales y dimensiones.

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Figura 1.3. Diversas tipologías de vagones para mercancías.

Además de la diversidad citada, el estado de conservación del material rodante es un factor que influye en el deterioro de la vía por lo que, en función de su estado, debe asumir un cánon mayor al circular por una vía. Este cánon es una de las cuestiones más importantes que se tienen que definir al establecer las circulaciones por una red europea. Piénsese que, entre otras cuestiones, la determinación del cánon que se debe abonar para circular por una vía debe definirse en función de variables tan diversas como la ocupación de vía, deterioro de la calidad de la vía, cargas, velocidades, estado de los vehículos, etc. La vía, técnicamente concebida como se ha descrito, con sus diversos subsistemas, es usada básicamente por los trenes de mercancías con sus vagones y locomotoras para la tracción y por los coches para viajeros. Las cargas que debe soportar la vía se limitan en Europa a 22,5 t/eje (toneladas por eje), pero pueden alcanzar las 40 t/eje, como es el caso de algunos estados de Norteamérica. En general, las cargas ferroviarias pueden llegar a circular a velocidades de hasta de 100 ó 120 km/h para el caso de las mercancías, alcanzar los 200 a 220 km/h en líneas convencionales de viajeros y pueden rebasar los 300 km/h en algunos 27


países que disponen de líneas de alta velocidad, en este caso solo para viajeros. Como resumen, se concluye que el fin básico que se exige a una vía férrea es el de transportar viajeros y mercancías de una forma económica que permita la competencia con otros modos de transporte, por lo que, en su concepción en la fase de proyecto y en su construcción, se deben considerar aspectos tan importantes como son: a)

b)

c)

d)

e)

f)

Velocidades a las que se desea operar, así como las cargas que se van a permitir para evitar fallos bajo tráfico y con capacidad geométrica, ya sea con carga o sin ella. Para el caso de vías exclusivas para viajeros, o vías de tráfico mixto, el camino de rodadura debe resultar confortable. Las locomotoras, los coches y los vagones pueden experimentar vibraciones y oscilaciones que, aunque no resulten peligrosas, generan incomodidad en viajeros y deterioro de las mercancías. Las modernas instalaciones de señalización y comunicaciones deben estar preparadas para garantizar su funcionamiento incluso con climatología adversa. La construcción de las vías ferroviarias requiere menos superficie de ocupación que las carreteras, por lo que el impacto producido por la ocupación de terrenos es menor, pero hay que tener especial cuidado en prever los impactos sobre el medio ambiente, como son las escombreras, el ruido, las vibraciones, etc., tanto durante la ejecución de las obras como en la fase de explotación. El coste total de las instalaciones necesarias para el buen funcionamiento de un ferrocarril debe ser lo más pequeño posible. El coste del mantenimiento del sistema ferroviario durante la vida útil del mismo debe ser también lo más pequeño posible.

2.1. CUALIDADES GENERALES DE LA VÍA Todo lo que se espera de una vía ferroviaria desde el punto de vista técnico y económico lleva a considerar cualidades generales del camino de rodadura que aquí señalaremos.

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2.1.1. RESISTENCIA La resistencia o robustez es necesaria para que la vía absorba y transmita las elevadas cargas por eje del material. Además es imprescindible que la vía no adquiera deformaciones permanentes pronunciadas, ni en planta ni en perfil, al paso de dichas cargas.

2.1.2. FLEXIBILIDAD La flexibilidad o elasticidad de la vía es necesaria para amortiguar la transmisión de esfuerzos del material móvil. A diferencia de los vehículos con neumáticos, los trenes están dotados de llantas rígidas. Por eso, la propia infraestructura también debe aportar la flexibilidad al sistema vía-material móvil. Las características de robustez y flexibilidad son, en cierto modo contradictorias. Uno de los temas de investigación actuales tiene como objetivo obtener una construcción suficientemente rígida como para soportar grandes cargas y capaz, por otro lado, de absorber las vibraciones causadas por la circulación a gran velocidad y de producir una rodadura suave, atenuando la transmisión de choques y ruidos al material móvil.

2.1.3. CONTINUIDAD Otra cualidad necesaria en la vía es su continuidad geométrica, tanto en planta como en perfil. En planta son necesarios contactos de segundo orden, que son los logrados con curvas de transición (clotoides, parábolas, etc.). En alzado se requieren contactos de primer orden que son logrados por medio de elementos tangentes sucesivos (tangencia de rampas o pendientes con sus acuerdos verticales, que pueden ser parabólicos o circulares). Además, la continuidad debe asegurarse también desde el punto de vista dinámico, es decir, la elasticidad de la vía debe procurarse que sea lo más parecida posible en todos los puntos. Dadas las grandes cargas que se transportan y el contacto acero-acero que se produce entre la rueda y el carril, cualquier discontinuidad, como por ejemplo un bache, puede dar lugar a que la aceleración instantánea de un eje alcance valores muy elevados, cobrando especial importancia y gravedad en el caso de las altas velocidades.

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2.1.4. HOMOGENEIDAD Se puede también añadir una cuarta cualidad. Hace unos años, la modernidad de un territorio venía definida por la existencia o no del ferrocarril. Actualmente se considera que el sistema férreo se caracteriza por la capacidad de transporte de grandes cargas y transporte masivo de viajeros. Lo contrario a cumplir esta premisa conduce a que otros modos en competencia sean capaces de resolver la cuestión del transporte de forma más eficiente, por lo que, en ese caso, el ferrocarril no tendría sentido. Por ejemplo, un contenedor que es transportado en barco, a su llegada a puerto puede ser transportado por ferrocarril hasta un almacén intermedio, desde ese punto y hasta su llegada al destino final, posiblemente deberá transportarse por carretera. Esto es, hay trayectos donde otros modos intervienen de forma más eficiente por lo que no debe pretenderse llegar a todos los lugares con el ferrocarril. Cada modo debe tener su intervención allá donde pueda ejercer su función de la forma más eficiente posible.

2.2. DEFINICIONES BÁSICAS DE LOS ELEMENTOS CONSTITUYENTES DEL CAMINO DE RODADURA Se ha dicho anteriormente que el camino o sistema de rodadura está constituido por la infraestructura y la superestructura, completándose, según los casos con instalaciones complementarias más o menos sofisticadas. Veamos cuales son las características de cada uno de estos elementos.

2.2.1. INFRAESTRUCTURA La infraestructura o conjunto de obras de tierra y de fábrica son las que materializan la plataforma. Esta superficie constituye la base de apoyo del paquete estructural. En el caso de obras de tierra, se utiliza un conjunto de materiales dispuestos en capas que tienen como misión fundamental la preparación del suelo o, lo que es lo mismo, la preparación de una explanada con una calidad determinada, apta para disponer la superestructura.

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Las funciones de la plataforma son:

permitir el apoyo de la vía y de las instalaciones. recibir y absorber los esfuerzos transmitidos superestructura. evacuar las aguas.

por

la

La plataforma está constituida por

terrenos naturales y seleccionados: terraplenes o desmontes. obras de fábrica: puentes, viaductos y túneles.

2.2.2. S UPERESTRUCTURA La superestructura está situada sobre la infraestructura y constituye el paquete estructural. Está formado por dos hileras de carriles, que se apoyan sobre las traviesas (elementos transversales) y se fijan a ellas a través de las sujeciones. Esto se conoce como emparrillado, el cual se apoya en la capa de balasto, a la vez que queda empotrado mediante el relleno de los huecos entre traviesas (cajas), también con balasto. Las funciones básicas que debe cumplir cada uno de los elementos se exponen a continuación de forma resumida, si bien se explicarán con mayor detenimiento en cada uno de los temas específicos que se verán más adelante.

C ARRILES Los carriles son los elementos metálicos que reciben directamente las cargas que transmiten los vehículos. Tienen las siguientes funciones:

resistir y transmitir los esfuerzos de los vehículos que le llegan directamente del contacto con las ruedas. guiar al material móvil con ayuda de las pestañas de las ruedas. conducir las corrientes de señalización y los circuitos de vía. conducir corrientes de retorno en líneas con tracción eléctrica.

TRAVIESAS Las traviesas o elementos transversales al eje de vía, pueden ser de diversos materiales, asumiendo las siguientes funciones:

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recibir, absorber y transmitir los esfuerzos recibidos de los carriles. mantener la separación de los carriles, manteniéndolos arriostrados. posibilitar el apoyo y nivelación de los carriles.

S UJECIONES Las sujeciones son materiales de pequeño tamaño que sirven para unir los carriles a las traviesas. Tienen las siguientes funciones:

mantener la unión de los carriles a las traviesas en el sentido longitudinal y transversal. absorber y transmitir eficazmente los esfuerzos. evitar el vuelco del carril. suministrar cierta elasticidad vertical a la vía.

P EQUEÑO MATERIAL Además de las sujeciones, existe otro tipo del pequeño material o accesorios de vía como las bridas y tornillería para las juntas, los elementos aislantes, etc.

B ALASTO U HORMIGÓN El último de los elementos que forman la superestructura es aquel que está más próximo a la plataforma. Su naturaleza depende del tipo de superestructura o vía:

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llamaremos vía convencional aquella en la que las traviesas se apoyan sobre el balasto (Figura 4). vía no convencional o vía en placa: las traviesas se apoyan sobre una losa de hormigón (Figura 5) o sobre asfalto.


Figura 1.4. Vía convencional sobre lecho de balasto. Fuente: C. Esveld, Modern Railway Track, 2001, p. 225.

Además de la clasificación ferroviaria anterior, conviene saber que existen sistemas que aplican la levitación magnética. Los estudios de estas técnicas se iniciaron en los años 30 del siglo XX, pero por diversos motivos no se ha extendido esta solución. Estas soluciones no son en sentido estricto ferrocarriles pues el camino de rodadura no es el de un ferrocarril, pero comparte con él el hecho de ser un sistema guiado.

Figura 1.5. Vía en placa sobre hormigón. Los carriles quedarán apoyados en una losa continua de hormigón.

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En ambos casos, sus funciones son:

amortiguar y distribuir las cargas a la plataforma. constituir un lecho más o menos elástico, en función de si se usa balasto u hormigón. dar estabilidad a la vía (horizontal y verticalmente). permitir la evacuación de las aguas pluviales.

2.2.3. INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS Las instalaciones son todos los elementos complementarios imprescindibles para la circulación de los trenes. Hay de diversos tipos: de señalización y seguridad, de comunicaciones, de electrificación, estaciones, talleres, etc., que son específicamente ferroviarios, pero también se utilizan otras que, sin serlo (ascensores, escaleras mecánicas, videos de vigilancia, etc.), resultan muy importantes para la operación diaria.

2.3. LA IMPORTANCIA DE LA GEOMETRÍA DE LA VÍA El camino de rodadura soporta la circulación del material móvil. Entre este camino y los vehículos se produce una interacción que provoca movimientos en el material móvil. A su vez, estos movimientos producen golpes y deformaciones en la vía, en un proceso continuo. Los distintos movimientos a los que está sometido el vehículo generan aceleraciones de sus masas que son las que determinan los esfuerzos sobre la vía y la falta de confort en el viajero. Las variables geométricas a considerar son las siguientes:

34


Figura 1.6. Geometría del sistema de rodadura. Fuente: C. Esveld. Modern Railway Track, 2001, p. 15.

Además, para el diseño geométrico de la vía, se deben tener en cuenta parámetros como el ancho de vía, el peralte y el alabeo (diferencia de peraltes entre dos secciones de una curva de transición separadas una distancia b). Esto cobra especial importancia en el caso de los vehículos ferroviarios ya que, debido a su longitud y rigidez, en las entradas y salidas de las curvas, el plano que forman las ruedas no se acopla con los puntos de contacto en la vía. Esta circunstancia hace que el alabeo sea una de las causas principales de descarrilo, por tanto su valor debe ser bien controlado en las curvas de transición y anulado en el resto. La geometría que tiene una vía es igual a la geometría teórica que debe tener más las desviaciones que se hayan podido producir. En la práctica, una vía férrea no se encuentra nunca en perfecto estado, siempre se producen desviaciones respecto a la geometría teórica calculada. Es importante, por tanto, conocer los esfuerzos que afectan a la calidad de la vía y fijar los límites de los parámetros geométricos que influyen en la calidad de la infraestructura y que pueden afectar al confort y a la seguridad de circulación. Esto no resulta fácil, pues hay que tener en cuenta la diversidad de características de la operación que tienen las distintas administraciones ferroviarias (velocidades, tipo de vehículos, niveles de mantenimiento, frecuencias, etc.)

35


3. FUNCIONES DEL SISTEMA DE RODADURA El sistema de rodadura debe satisfacer las siguientes funciones básicas: 1. soportar las fuerzas verticales de los vehículos y transmitir estas fuerzas hacia la plataforma a través del emparrillado de vía y del balasto. 2. soportar las fuerzas horizontales de los vehículos (esfuerzos dinámicos). 3. guiar a los vehículos evitando su descarrilamiento. 4. mantener las funciones anteriores de una forma permanente. Este enfoque tiene como objetivo proporcionar al usuario un alto confort de viaje y seguridad, garantizándose una alta disponibilidad de la oferta.

3.1. TRANSMISIÓN DE CARGAS Una de las funciones del sistema de rodadura es soportar las fuerzas verticales de los vehículos y transmitir esas cargas. El elemento resistente que recibe directamente las cargas de las ruedas es el carril. La carga que transmite el tren es casi puntual (Figura 7), por lo que, al ser el área de contacto muy pequeña, las tensiones en el carril y en las ruedas son muy grandes. Como es lógico, esto influirá en el diseño y características de los materiales que intervienen en la fabricación de dichos elementos. A partir de ese contacto, los distintos elementos deben ser capaces de soportar y repartir los esfuerzos hasta llegar a la cimentación del terreno. La transmisión de cargas desde las llantas de los trenes hasta las capas inferiores se realiza aumentando la superficie (que es inversamente proporcional a las tensiones) de contacto entre capas, de esta forma se disminuyen las tensiones poco a poco hasta llegar al terreno natural.

36


Figura 1.7. Esquema de transmisión de cargas.

La carga Q es una fuerza resultante que incluye la carga nominal o estática por eje y las variaciones producidas en diversas situaciones como al circular por una curva, al acelerar o frenar el vehículo, al pasar por determinados defectos de vía o por defectos que se producen en las llantas. Esta carga final resultante es lo que se conoce como carga dinámica. En definitiva, la carga estática sufre una amplificación convirtiéndose en carga dinámica la cual, en situaciones específicas puede llegar a ser del orden de 5 a 6 veces la carga estática. Por tanto, para clasificar las vías atendemos a la carga estática por rueda o por eje, a partir de la cual se producirán las cargas dinámicas. La carga por eje es la fuerza que transmite el vehículo por la rueda a la vía de forma estática. Las cargas por eje permitidas son muy variables en función de la administración ferroviaria correspondiente. En Europa se admite una carga de 18 t/eje. En España, al coexistir vías de ancho estándar (1.435 mm) y ancho ibérico (1.668 mm), se admiten cargas entre 18 y 22 t/eje, pero estas cargas se ven ampliamente rebasadas en algunos estados de EE.UU. donde, excepcionalmente, pueden llegar a alcanzar las 45 t/eje. Estas cargas se modifican a la baja en el caso de las vías de ancho métrico. La UIC (Union International des Chemins de fer) clasifica las vías desde este punto de vista en cuatro grupos (A, B, C, D) (Tabla 1) que 37


constituyen los valores de uso más general en Europa. En cada grupo, la UIC considera cuatro categorías que caracterizan la carga uniformemente repartida admisible por las obras de fábrica. Esta carga se obtiene dividiendo el peso de los vehículos por su longitud entre topes. Tabla 1.1. Clasificación de las vías según las cargas (UIC).

Grupos A < 16 t/eje 16 t/eje < B < 18 t/eje 18 t/eje < C < 20 t/eje 20 t/eje < D

Categorías 1 < 5,8 t/m 5,8 t/m < 2 < 6,4 t/m 6,4 t/m < 3 < 7,2 t/m 8,0 t/m < 4

La mayor parte de la red arterial de RENFE está clasificada en la categoría C3 y hay algunas líneas D de 22,5 t/eje. Se hace notar que el hecho de que la rueda ejerza la fuerza en poca superficie de contacto implica menor fuerza de rozamiento, esto se traduce en menor oposición al movimiento y, por tanto, menor consumo. Por el contrario, a menor rozamiento necesitaremos una mayor distancia de frenado o aceleración y las rampas y pendientes deberán tener ciertas limitaciones.

3.2. LOS ESFUERZOS DINÁMICOS Se ha explicado que la rueda de ferrocarril transmite a la vía fuerzas verticales (como el peso) y horizontales (como el esfuerzo lateral por viento). Además, la vía soldada de forma continua (bls) está expuesta a esfuerzos longitudinales ocasionados por variaciones térmicas. Estos esfuerzos se pueden analizar en el campo de las frecuencias. Si observamos la figura siguiente, veremos que las diferentes masas del sistema están ensambladas mediante componentes que cumplen funciones elásticas y de amortiguación. Los elementos de amortiguación entre la caja del vehículo y el bogie, así como entre el bogie y el tren de rodadura, son bien conocidos y su comportamiento puede describirse matemáticamente. Dichos elementos constituyen la suspensión primaria, entre bogie y rueda y la secundaria, entre caja de viajeros y bogie. Esta simplificación permite realizar una descomposición en cualquier vehículo 38


y calcular, mediante programas que ya existen en el mercado, el comportamiento dinámico de un vehículo en una vía con una calidad geométrica determinada. También se podría determinar, en función de la pérdida de las características elásticas y de la variación de la calidad geométrica de la vía, cualquier variación en el comportamiento del vehículo.

Figura 1.8. Modelización del sistema vehículo-vía. Fuente: C. Esveld. Modern Railway Track, p. 107.

En el caso del balasto, las propiedades elastoplásticas del mismo y de la vía en su conjunto, no pueden describirse con exactitud analítica, debido al comportamiento no homogéneo del lecho de balasto, de las capas de la plataforma y del terreno. Se deben aplicar relaciones y parámetros empíricos, determinados mediante ensayos, y es así como se conoce la magnitud de los esfuerzos dinámicos transmitidos.

3.3. EL GUIADO DE LOS VEHÍCULOS La última de las funciones básicas del sistema de rodadura es guiar al vehículo. Esto es posible gracias a las pestañas y forma de las ruedas (características del material móvil). No obstante, como veremos más adelante, presenta inconvenientes debido al rozamiento entre llantas y carril en las curvas y entre pestañas y carriles tanto en curvas como en recta, lo que produce desgastes y deformaciones que deben ser tenidos en cuenta en la conservación de la vía y del material móvil.

39


3.3.1. C ARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MATERIAL MÓVIL El material móvil ferroviario (locomotoras, coches o vagones), posee características propias completamente diferentes del material móvil utilizado en carretera. Hay características evidentes como son: -

Unidireccionalidad. El movimiento de un tren es unidireccional, lo que obliga a disponer de aparatos de vía especiales para realizar maniobras de cualquier tipo.

-

Guiado. Los trenes circulan apoyados sobre las vías que son las que lo guían. El guiado facilita el automatismo de las operaciones y la circulación en condiciones meteorológicas adversas.

-

Adherencia limitada. El contacto rueda-carril se produce en una superficie de pocos centímetros cuadrados. Las tensiones que se producen son muy altas y la adherencia es baja. De esta forma, el gasto energético para transportar cargas es bajo, pero aparecen dificultades en el frenado de los vehículos y en el momento de circular por rampas y pendientes fuertes.

Pero, además, cabe resaltar otras características específicas del material como es el calaje, la forma cónica de las llantas y la pestaña interior.

C ALAJE Los ejes directores de los vehículos carreteros suelen llevar una serie de engranajes (diferencial) que permite en las curvas realizar recorridos de distinta longitud para la rueda exterior e interior de tal manera que éstas no deslizan. En el caso de los ejes ferroviarios no existe ese diferencial como tal. Sobre todo en los vagones, sometidos a esfuerzos muy grandes, los ejes y las ruedas forman un conjunto sólido que resulta más adecuado ante las fuertes cargas. Este sólido rígido gira como conjunto y a esta estructura se la conoce como eje montado o rueda calada.

40


Figura 1.9. Rueda calada. Ruedas y eje forman un sólido rígido.

De esta disposición se pueden distinguir ventajas e inconvenientes. La principal ventaja es la citada de una mayor solidez, puesto que un eje montado de una sola pieza es menos susceptible de dislocación. No hay que olvidar que el material ferroviario debe soportar pesadas cargas o circular a velocidades elevadas. En cambio, el principal inconveniente es la complejidad del movimiento en curvas. La rueda exterior de un eje, que recorre mayor camino que la interior, debe deslizar al mismo tiempo que rueda sobre el carril, lo que conduce a un mayor desgaste mutuo por desplazamiento. Para paliar este deslizamiento que se da, sobre todo, en curvas muy cerradas, el efecto diferencial lo asume la forma cónica de la llanta y se verá más adelante.

P ESTAÑAS INTERIORES En las ruedas se dispone una pestaña por el interior del carril cuya función es hacer de tope evitando la tendencia al descarrilamiento. Así como en la carretera la seguridad ante el deslizamiento transversal descansa fundamentalmente en el rozamiento de la rueda y el camino de rodadura, esto no resulta posible en el contacto acero-acero de la 41


rueda ferroviaria. Así pues, la pestaña pasa a ser un elemento de seguridad frente al descarrilo. En circunstancias especiales, si la pestaña llegara a ponerse encima del carril, el radio de giro de la rueda sería mucho mayor que el de la rueda opuesta, por lo que, según se verá al hablar de la conicidad de la llanta, esa diferencia de radios tendería a hacer avanzar más la rueda descarrilada y aún habría una opción de encarrilaje, si bien esto solo vale en el caso de rueda calada.

Figura 1.10. Detalle del contacto rueda-carril. Fuente: C. Esveld. Modern Railway Track, p. 17.

Figura 1.11. La forma cónica de las llantas favorece la circulación en curvas muy cerradas paliando el deslizamiento de las ruedas.

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C ONICIDAD DE LAS LLANTAS La superficie de rodadura de las ruedas puede asimilarse a un cono de ángulo y vértice exterior a la vía (Figura 12). En España vale de 1/20. La conicidad tiene dos objetivos fundamentales: a) b)

actuar como diferencial en las curvas cuando se tiene rueda calada. ayudar al centrado del vehículo cuando circula en recta.

En curvas, el sistema de ruedas caladas impone que la velocidad de giro () de las dos llantas sea igual, sin embargo la rueda exterior de un eje recorre mayor camino que la interior, por tanto, para que no deslicen las ruedas, deberá ir a más velocidad lineal (v). Atendiendo a la expresión v=·R la única forma de que se cumpla la relación es aumentando el radio (R) del círculo de rodadura. Gracias a la conicidad se consigue precisamente, aumentar el radio del círculo de rodadura sobre el carril exterior y disminuir el del carril interior. Pero, para que sea posible movilizar el efecto de la conicidad, es necesario también que exista una diferencia (huelgo) entre el ancho de vía y el ancho entre pestañas. De esta manera, además de no producirse un continuo rozamiento entre pestañas y ruedas, el eje puede desplazarse lateralmente y la llanta contactar con la rueda en puntos distintos. r J y

r J y

r

'r

y

J

Contacto tras desplazam . y

Jy

y

Jy

Contacto original

Figura 1.12. Puntos de apoyo de las llantas con radios distintos para generar el efecto diferencial.

43


En el caso de la figura 12, si el vehículo describe una curva a izquierdas, los ejes tienden a desplazarse hacia la derecha debido a la fuerza centrífuga. En ese desplazamiento Y, los radios de los puntos de contacto de la llanta con los respectivos carriles pasan a ser de r-.y para la rueda izquierda y de r+.y para la rueda derecha, por lo que la velocidad lineal de la rueda derecha será más grande, al resultar mayor el producto del radio de giro de esa rueda por la velocidad angular Ȧ. En rectas, la disposición cónica consigue atraer continuamente el centro de gravedad del eje hacia el eje de la vía, consiguiéndose un centrado del vehículo en la vía. En el caso de no disponer de rueda calada, como ocurre en los trenes Talgo (disponen de ejes cortos independientes para poder ajustar el ancho de vía), las ruedas giran independientes por lo que no se necesitaría la conicidad en las curvas ya que resultaría innecesario el efecto diferencial. Sin embargo, en recta sigue siendo conveniente llevar el vehículo lo más centrado posible en la vía, lo cual justifica la conicidad también en rueda no calada.

3.3.2. M OVIMIENTO DE LAZO Como se ha explicado, la disposición cónica consigue corregir la trayectoria de los ejes. Evidentemente, el movimiento del eje no es perfecto y en la vía aparecen defectos de geometría por lo que las correcciones de trayectoria son continuas. Por ello, el centro del eje está sometido a un movimiento ondulatorio, denominado movimiento de lazo, tal como se muestra en la figura siguiente:

Figura 1.13. Representación del movimiento de lazo.

44


El movimiento de lazo es senoidal, con amplitud, pulsación y frecuencia 1 conocidas . Resulta interesante resaltar que el movimiento de lazo provoca aceleraciones que pueden ser significativas y deterioran el confort de la marcha. La frecuencia de las ondas también influye en el denominado tiempo de fatiga de un vehículo. Para mantener acotados los problemas derivados del movimiento de lazo, existen formulaciones de las cuales se deduce que su reducción se puede conseguir haciendo que el juego de vía no sobrepase unos determinados valores, o también, aumentado el empate de los ejes (distancia entre los ejes en un mismo bogie. El valor de la conicidad no es único. En España se maneja una conicidad base de 1/40. Esta conicidad debe conjugarse con la inclinación del carril para que el contacto rueda carril sea adecuado. En nuestro caso, el carril se inclina 1/20. En otros países, como Alemania, Japón o Francia, se ha adoptado una inclinación de carril de 1/40, por lo que el perfil de la llanta debe ser de 1/20. En general, la inclinación del carril hacia el interior del eje de la vía (ángulo entre el eje de simetría del carril nuevo fijado sobre su soporte en la traviesa y la perpendicular al plano de rodadura) está comprendido entre 1/100 y 1/20, siendo los valores más habituales 1/20 y 1/40.

3.3.3. JUEGO DE VÍA Como se ha comentado anteriormente, el movimiento de lazo no existiría si la separación entre las pestañas de las llantas y el carril fuera nula, sin embargo, si esto fuera así habría un roce continuo entre pestaña y carril con el consiguiente desgaste de ambos elementos.

1

En la bibliografía se pueden encontrar referencias donde se determina la frecuencia de un eje aislado y aproximaciones para calcular la frecuencia de un tren (varios ejes) a partir de la formulación de Klingel.

45


Figura 1.14. El juego de vía vale J = es-SA. Fuente: J.J. Mendoza. Cuaderno técnico de vía. Geometría de vía (cap.2), p. 94.

El juego de vía es un huelgo que se deja entre pestaña y carril para que no rocen continuamente y, como consecuencia, se produzca un desgaste recíproco continuo, además de ruidos y mayor peligro de descarrilo. Se define como la diferencia que existe en alineación recta entre la separación de los planos interiores de los carriles y entre los bordes exteriores de las pestañas, medida ésta a 10 mm por debajo del plano de rodadura. Tabla 1.2. Valores considerados del juego de vía J = es-SA. Fuente: J.J. Mendoza. Cuaderno técnico de vía. Geometría de vía, cap.2, p. 94.

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Cabe resaltar que si el juego de vía es demasiado grande, la marcha senoidal del eje (movimiento de lazo) puede resultar peligrosa, pero si es demasiado pequeño la pestaña ejercerá constantemente rozamientos y presiones sobre el carril, lo que dará lugar a una rodadura excesivamente ruidosa, además de presentar riesgos y peligros de descarrilamiento. Si comparamos los valores máximos y mínimos de los juegos de vía, en los casos recogidos en la tabla 2, se tiene: Juego mínimo: Jmín = es – SA máx -

En caso UIC:

-

En ancho ibérico

1.435 – 1.426 = 9 mm 1.668 – 1.660 = 8 mm

Juego máximo: Jmáx = es – SA mín -

En caso UIC:

1.435 – 1.410 = 25 mm

En el caso de RENFE, no existe nada establecido para S A ni L mínimos en servicio, pero se puede estimar el juego máximo a partir de las prescripciones a la salida de taller. Por tanto, a partir de S A mínimo de 1.640 mm, se tiene: Jmáx = 1.668 – 1.640 = 28 mm En cuanto a las pestañas, la normativa UIC exige 22 mm de espesor, mientras que las normas de RENFE exigen un espesor de 25 mm.

4. P ARÁMETROS QUE DEFINEN LA SECCIÓN TRANSVERSAL Desde el punto de vista del diseño es imprescindible dimensionar el perfil transversal de una infraestructura ferroviaria para determinar las superficies necesarias a disponer. Normalmente, por motivos económicos (costes de compra de terrenos o expropiaciones), se tiende a ajustar la superficie de plataforma, sobre todo en zonas urbanas o 47


próximas a ellas. Esto resulta razonable, siempre que se tengan en cuenta circunstancias que pueden aparecer en el montaje de vía, como modificaciones de peraltes, o pequeños ajustes de alineaciones, que hacen que las canaletas laterales se cubran de balasto y resulten inaccesibles para el mantenimiento de las instalaciones.

Figura 1.15. Perfil transversal de un tramo de doble vía en curva.

Para acotar mejor el perfil transversal conviene conocer todos los conceptos que se muestran en la figura: ancho de vía, entreeje, ancho de la plataforma y gálibo. A continuación se describen todos estos conceptos, los valores habituales y cómo se determinan.

4.1. ANCHO DE VÍA 4.1.1. DEFINICIÓN Se define como ancho de vía la distancia (en mm) entre caras activas de los carriles, medida a 14 mm bajo el plano de rodadura. Como cara activa o cara interna, se entiende la superficie de la cabeza del carril donde contacta la pestaña en la circulación de los vehículos. Se toma 48


como referencia a 14 mm ya que es donde la cara del carril queda vertical (una vez se le da la inclinación al carril hacia el interior de la vía) y el desgaste es menor.

a

Figura 1.16. Definición de ancho de vía. Distancia entre caras activas medida 14 mm por debajo de la superficie de rodadura.

En España coexisten varios anchos, siendo los más importantes el llamado ibérico (1.668 mm), el estándar (1.435 mm), utilizado en altas velocidades y el métrico (1.000 mm), utilizado en lo que se conoce como líneas de vía estrecha y en algunos metros. El ancho de vía estándar, fijado por la Conferencia de Berna en 1887, es de 1.435 mm, cifra que se entiende como mínima en alineación recta. Este valor aumenta en curvas con el llamado sobreancho (tal y como se explica en 4.2. Sobreancho). Este ancho estándar es el adoptado en la actualidad por la mayor parte de los países. La tabla siguiente muestra los anchos de vía de algunos países europeos. Todos esos anchos son europeos, por lo que cabe señalar que conviene denominar al ancho de 1.435 mm como ancho estándar y no ancho internacional ni europeo.

49


Tabla 1.3. Anchos de vía de diversos países europeos medidos en milímetros.

País Alemania

Administración ferroviaria DB

Ancho de vía 1.435

Austria

ÖBB

Bélgica

SNCB

1.435

DSB

1.435

Dinamarca España Finlandia

RENFE

1.435, 1.000, 760

1.668, 1.435, 1.000

VR

1.524

Francia

SNCF

1.437

Holanda

NS

1.435

Reino unido

BR

1.435,

597

Italia

FS

1.435,

950

Portugal

CP

1.665, 1.000

SBB,CFF,FFS

1.435, 1.000

Suiza

La definición del ancho ibérico en 1844, antes llamado ancho español, tiene una larga e interesante historia. Para algunos autores en la elección del ancho pesan, sobre todo, aspectos técnicos encaminados a conseguir mayor potencia de locomotoras y más capacidad de carga, teniendo en cuenta la orografía de España. En cambio, para otros son las cuestiones estratégico-militares las que influyeron. Lo bien cierto es que aún queda mucho que investigar y la famosa expresión hablando del error que se cometió eligiendo la medida adoptada no deja de ser un comentario incapaz de tener en cuenta los aspectos que rodearon la decisión en aquella época. Dado que el material móvil, en general, está diseñado para un ancho de vía particular, no es trivial que los trenes puedan circular por anchos de vías distintos. Para hacer frente a este problema, se han planteado soluciones basadas en el diseño de vehículos para circular en varios anchos de vía (generalmente el Ibérico y el Internacional).

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Algunos ejemplos son:

el vagón de ejes intercambiables Transfesa. Este procedimiento se aplica sustituyendo en un foso los ejes de un ancho por otro. Crea situaciones especiales en la operación si no está equilibrado el número de ejes que entran y salen por un punto determinado. el cambio de bogies, sistema que está en funcionamiento desde 1969 y que se aplica a coches-cama. el sistema de rodadura desplazable del Talgo o de los trenes de la compañía CAF (Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles, S.A. diseña y fabrica componentes para sistemas ferroviarios). Ambas tecnologías se emplean en coches ferroviarios. En el caso de Talgo, se tienen dos ejes cortos independientes, tal como se puede observar en la figura. Estos ejes se desbloquean, se llevan a su nueva posición de ancho y se vuelven a bloquear en una operación automatizada y de corta duración. En el caso de la empresa CAF, el eje es único y de tipo telescópico. Se abre y se cierra desbloqueando una posición y bloqueando la nueva.

Estas soluciones técnicas permiten el paso de trenes entre dos anchos distintos. En España permite el paso de las líneas de ancho ibérico a las de ancho estándar, pero tiene un costo, por lo que no es una situación extensible a todos los vehículos.

51


Figura 1.17. Sistema de rodadura desplazable del Talgo. Fuente: Talgo.

4.1.2. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA VÍA ESTRECHA Las principales ventajas de la vía estrecha sobre la vía ancha se apoyan en aspectos económicos:

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con menores anchos resulta posible diseñar curvas de radio menor lo que permite adaptarse mucho más al terreno, resultando un menor movimiento de tierras y un menor número de obras de fábrica a realizar. Esto es lo que se hizo en muchos países de Sudamérica, utilizando el ancho yárdico (3 pies, que vienen a ser 914,4 mm) con el fin de adaptarse al terreno e ir a obras de tierra y de fábrica más pequeñas. con menores anchos se requiere una menor anchura de plataforma, por lo tanto menor volumen de materiales: terraplenes, capas de asiento, balasto, traviesas, menores túneles, etc. se consigue menor resistencia a tracción en curvas, que a su vez permite aumentar la inclinación de las rampas.


Los principales inconvenientes del menor ancho son:

menor capacidad. menor velocidad debido a los problemas de estabilidad de los vehículos. A igualdad de tecnologías, a menor ancho hay menos estabilidad. mayor coeficiente de explotación (Gastos/Ingresos).

4.2. SOBREANCHO EN CURVAS En apartados anteriores se han explicado las características del material móvil, entre ellas las ruedas caladas y su funcionamiento en rectas y curvas. Se ha definido el ancho de vía en recta y se ha comentado que este valor aumenta en curvas. En una curva, dependiendo de la distancia entre ejes, el hecho de recorrerla puede ser difícil debido al apoyo oblicuo que la rueda interior trasera efectúa en el carril interior, empuje que tiende a crear un ancho suplementario en la vía. Por este motivo es práctica común en todas las infraestructuras ferroviarias proporcionar este sobreancho en las curvas. Su valor depende del radio de la curva y, aunque pueden efectuarse estudios teóricos para determinar su valor, lo normal es acudir a fórmulas simplificadas de carácter empírico. En la norma de UIC sobre la vía métrica se dice que en las curvas se permite un cierto sobreancho. Este sobreancho se añade al ancho nominal, lo que permite circular por las curvas a los vehículos de gran distancia entre ejes sin las limitaciones de las pestañas. Además, permite una mayor diferencia de radios entre las ruedas de un eje para una conicidad dada. Con la evolución del material rodante, la desaparición de las locomotoras de vapor y la disminución de las distancias entre ejes, así como con la utilización de las traviesas de hormigón, el sobreancho ya solo se suele aplicar en aquellas líneas donde aún no se ha retirado el material antiguo.

53


Como conceptos básicos, hay que señalar que un sobreancho por encima de los 12 milímetros puede producir aplastamiento de la cabeza del carril y a una reducción del guiado sobre el carril bajo. Antiguamente la UIC recomendaba fórmulas sencillas como las siguientes: 1)

S

2)

S

6.000 12 con S y R en mm. R

1000 R 2 27 000

S=0 cuando R>500 m

con R en m y S en mm. S=0 si R>1000 m

Tanto al aplicar la ecuación 1) como la 2) el resultado se debe corregir para tener en cuenta el juego de vía. Actualmente, en España, de acuerdo con la norma NRV 7-1-3.1, de enero de 1995, (ancho límite -3, +15 mm), se establecen los siguientes valores: Tabla 1.4. Valores de sobreancho para diversos radios y anchos de vía.

4.3. ENTREVÍA La entrevía es un parámetro característico en vía doble o múltiple. Se mide en plena vía -no en estación. La entrevía se define de varias formas:

54


a) b)

como la distancia entre ejes de 2 vías paralelas (e), también llamada entreeje. como la distancia entre caras activas (b´) o caras pasivas (b) de los carriles más próximos.

e

Figura 1.18. Definiciones de entrevía. Distancias entre ejes de vía y entre carriles más próximos.

En ambos casos, b y b’ pueden oscilar entre los 2 y 2,5 metros. En el caso de entrevía definida como distancia entre ejes de vía los valores pueden moverse entre 3 y 5 metros, en función de las velocidades de operación de vehículos (ver tabla 4). A diferencia del ancho de vía, la entrevía no es un factor que restrinja el paso de trenes, pero si es importante su consideración por diversos motivos. En las estaciones para la colocación de andenes y previsión de zonas de descarga. En altas velocidades se producen presiones en los cruces de trenes que obligan a preparar los vehículos ante estos efectos. Por último, dada la ambigüedad que se puede crear por la propia definición, resulta indispensable matizar a qué entrevía nos referimos a la hora de confeccionar proyectos o en el momento de la construcción, para evitar errores en los documentos y replanteos.

4.4. EL ENTREEJE COMO UNA DEFINICIÓN DE ENTREVÍA Se define como la distancia medida en dirección transversal entre los ejes de dos vías adyacentes pertenecientes a una línea dotada de doble vía o vía múltiple. Algunas administraciones también la llaman entrevía. Su diseño es importante puesto que condiciona el ancho de la plataforma. 55


La elección del valor del entreeje viene dado por la normativa técnica en función de la velocidad de proyecto de la línea ferroviaria. La tabla siguiente muestra los valores de entreeje en función de la velocidad recomendados por la normativa francesa para alta velocidad (V>220 km/h) y por la normativa alemana para velocidades inferiores a 220 km/h. Tabla 1.5. Valores mínimos orientativos para el entreeje.

Velocidad máxima (km/h)

Entreeje(mm)

V < 140

3.808

140 V < 160

3.920

160 V < 250

4.000

250 V < 300

4.300

V 300

4.500

En casos justificados estos valores de entrevía se pueden reducir al inmediatamente inferior en la tabla. En vías con velocidad menor de 100 km/h se puede reducir, en casos de extrema necesidad, hasta 3,674 m. En el caso de estaciones pueden servir de referencia los siguientes valores: -

5,35 – 4,50 m clasificación, recepción y expedición.

-

4,80 – 4,50 m estacionamiento.

-

5,50 – 4,90 con columnas de hormigón, metálicas, señales.

-

6,50 – 5,30 m carga y descarga.

4.5. ANCHO DE LA PLATAFORMA El ancho de la plataforma, para vía doble, tal y como muestra la figura siguiente, viene dado por el entreeje y dos veces la distancia del eje de la vía al poste de la catenaria. Esta distancia suele estar entre 3,3 y 4 metros, dependiendo de la administración ferroviaria, del espacio disponible, etc. 56


Figura 1.19. Ancho de la plataforma con las distancias relevantes y los valores típicos. Fuente: Ministerio de Fomento.

4.6. GÁLIBO Se entiende por gálibo al conjunto de medidas que sirven para acotar las dimensiones de las obras y de los vehículos. Tanto en viajeros como en mercancías existen unas dimensiones máximas que no pueden ser rebasadas para asegurar el paso por las estructuras del camino de rodadura. Las dimensiones de la sección transversal de los vehículos permiten determinar el control máximo del material motor y remolcado, vacío o en carga, y la posición relativa de las obras de fábrica y obstáculos respecto a la vía. Pero el concepto de gálibo tiene un alcance mayor. En zonas urbanas con sistemas tranviarios resulta fundamental definir cotas de andenes, longitudes, alturas, distancias desde el borde, etc., que hacen posible que los vehículos circulen y se detengan a distancias del andén que permitan el fácil acceso. Todo ese conjunto de dimensiones también forma parte del concepto gálibo. De lo dicho se desprende que hay que distinguir dos clases de gálibos:

de material móvil de obras 57


4.6.1. G ÁLIBOS DE MATERIAL MÓVIL El llamado gálibo de vehículos, gálibo de cargamentos, gálibo de material móvil o simplemente gálibo recoge las medidas máximas autorizadas en cada caso. Estas medidas, conocidas a priori, permiten establecer trasportes determinados, asegurándonos de que no habrá ningún obstáculo que impida el desplazamiento de la carga (paso por túneles, por estaciones, puentes, etc. Es uno de los factores frontera que nos encontramos en la relación entre algunos países, al no encontrarse unificado.

Figura 1.20. Ejemplo de gálibo en obra y en vehículo.

4.6.2. G ÁLIBO DE OBRA Es más amplio que el anterior y define las medidas que deben de ser adoptadas para todas las obras de una infraestructura ferroviaria (andenes, túneles, etc.) Tienen unos valores mínimos para que los valores máximo definidos en los vehículos no puedan interferirse.

58


Figura 1.21. Gálibo internacional de cargamento (izquierda) y gálibo RENFE de cargamento (derecha), cotas en mm. Fuente: Ficha UIC 505.

Figura 1.22. Gálibo de túnel vía sencilla y doble con cotas en mm. Fuente: Ficha UIC 505.

59


BIBLIOGRAFÍA

60

Esveld, C., “Modern Railway Track”, MRT Productions. Second edition, The Netherlands, 2011.

Lichtberger, B., “Manual de vía”.Eurail press, 2011.

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Mendoza, J.J., “Capítulo 2: Geometría de la vía” en “Cuaderno técnico de vía”, Tecnorail Consulting, Madrid, 2005.

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Normativa del Ministerio de Fomento.

Uriol Salcedo, J.I., “Historia de los caminos de España”. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Colección de Ciencias, Humanidades e Ingeniería, nº 41.

temas

de

CAPÍTULO 2 EL C ARRIL RICARDO INSA FRANCO , P ABLO M ARTÍNEZ FERNÁNDEZ

Capítulo 2. El carril

ÍNDICE DEL CAPÍTULO 1. Introducción ........................................................................................65 2. Funciones ...........................................................................................66 3. Características....................................................................................66 3.1. Solución de compromiso.............................................................66 3.1.1. Rigidez-elasticidad ............................................................. 67 3.1.2. Peso-coste ......................................................................... 67 3.1.3. Adherencia-rugosidad ........................................................ 70 3.2. Material .......................................................................................70 3.2.1. Composición química ......................................................... 72 3.2.2. Propiedades físicas ............................................................ 73 3.2.3. Textura ............................................................................... 75 3.3. Forma .........................................................................................77 3.3.1. Evolución de los perfiles .................................................... 78 3.3.2. Perfil Vignole. Elementos ................................................... 80 3.3.4. Longitud ............................................................................. 83 3.4. Peso............................................................................................84 3.4.1. Evolución ........................................................................... 84 3.4.2. Peso óptimo ....................................................................... 85 3.5. Perfiles ........................................................................................87 4. Fabricación .........................................................................................88 4.1. Fabricación del acero. Métodos ..................................................89 4.2. Laminación .................................................................................91 4.3. Acabado......................................................................................92 4.4. Tensiones internas residuales ....................................................93 63


4.5. Defectos de fabricación.............................................................. 93 4.5.1. Segregación ....................................................................... 93 4.5.2. Inclusiones sólidas o gaseosas .......................................... 93 4.5.3. Rechupe ............................................................................. 94 4.5.4. Defectos de laminación ...................................................... 94 5. Criterios para la elección del carril ..................................................... 94 5.1. Recopilación de datos o condicionantes externos ..................... 94 5.2. Elección de la resistencia ........................................................... 95 5.3. Elección del tipo de perfil ........................................................... 97 6. Control de calidad ............................................................................ 102 6.1. Ensayos en fábrica................................................................... 102 6.2. Recepción ................................................................................ 103 7. Procedimiento constructivo .............................................................. 104 7.1. Posicionamiento de los carriles ................................................ 104 7.2. Defectos de ejecución .............................................................. 106 8. Desgaste de los carriles................................................................... 107 8.1. Causas de los defectos de uso (o desgastes) ......................... 107 8.2. Tipos de defectos ..................................................................... 108 9. Regeneración de carriles ................................................................. 109 Bibliografía ........................................................................................... 111

64


1. INTRODUCCIÓN El carril es el elemento de la superestructura que soporta directamente las cargas que se producen en el sistema. El peso de los vehículos, las acciones dinámicas generadas por la velocidad y el estado de conservación de vía y vehículo y esfuerzos externos (por ejemplo, un viento lateral). En la primera parte de este capítulo se explicarán las características de los carriles y su fabricación. En el Apartado 3.3 se hablará de la forma de los carriles y se verá que, en general, se pueden distinguir tres partes fundamentales: cabeza, alma y patín. Pero esta forma típica, que se reconoce en la mayoría de ferrocarriles actuales, es fruto de la evolución a lo largo de los años, como respuesta a las necesidades de cada momento. Al hablar de la forma de los carriles, también se considerarán otros tipos, con diversas funcionalidades, y que en algunos casos, coexisten con el carril más tradicional conocido como Vignole. El carril se caracteriza fundamentalmente por la forma y por el peso. En el Apartado 3.4 se verá que esta última cualidad da una idea de robustez y capacidad de resistencia ante las cargas a las que va a estar sometido. Pero también es habitual ofrecer más información definiendo el proceso de fabricación (Apartado 4) (open hearth, básico, horno eléctrico), bien el tipo de acero empleado (acero estándar, de alto contenido en carbono o de aleación para alta resistencia), o bien, finalmente, por los tratamientos térmicos a los que se somete el carril una vez fabricado. En el Apartado 5, se proponen unos criterios básicos para la elección del carril. El objetivo es clarificar las ideas a la hora de diseñar una infraestructura ferroviaria. En los Apartados 6 y 7 se proporcionan indicaciones necesarias en obra (control de calidad y procedimientos de construcción). Por último, en los Apartados 8 y 9 se dan unas nociones básicas útiles en la fase de mantenimiento como son la identificación de los defectos de los carriles y su regeneración.

65


2. FUNCIONES Las tres funciones básicas que desarrolla el carril son las siguientes: -resistir y transmitir las cargas del material rodante a los distintos elementos que componen la vía. -gruiar los vehículos y adherirlos lo suficiente para el frenado y la aceleración. -conducir la corriente de electrificación y señalización. En relación con los requerimientos de las instalaciones de electrificación y señalización. A las dos primeras se añadió la de conducción eléctrica a partir de la electrificación de las líneas y debido a la incorporación de sistemas de señalización con transmisión de energía a través de los carriles. Como consecuencia de estas necesidades se pueden establecer una serie de características que deben poseer los carriles y que se detallan a continuación.

3. CARACTERÍSTICAS Dada la importancia del carril, éste ha sido objeto de numerosos estudios, tanto técnicos como económicos que, en general, presentan exigencias contrapuestas. Como en tantos campos de la técnica, resulta necesario adoptar soluciones de compromiso sopesando aspectos tecnológicos y económicos.

3.1. SOLUCIÓN DE COMPROMISO La solución adoptada debe satisfacer las siguientes cualidades: 66

rigidez y elasticidad peso conveniente rugosidad y adherencia costes


3.1.1. RIGIDEZ -ELASTICIDAD El carril, integrado en la vía, debe tener una superficie lisa y debe ser poco deformable, hace falta una determinada rigidez que haga practicable el camino de rodadura. Pero, al mismo tiempo, para evitar roturas por el incremento de cargas y los efectos dinámicos generados por la propia rigidez que se necesita, se necesita también cierta elasticidad. Por ello, en la elección se debe considerar una rigidez necesaria para materializar la rodadura, lo que tiende a provocar roturas en los elementos de la vía, y una elasticidad suficiente que pueda moderar los efectos dinámicos, en base a la capacidad de deformación, sin que éstas lleguen a ser excesivas e inhabiliten la vía como camino de rodadura.

3.1.2. PESO Como se ha dicho anteriormente, el peso es un factor que caracteriza la capacidad de un carril ante las cargas. Técnicamente, cuanto más peso tiene un carril mayor es su sección de acero y, por tanto, es más resistente a los esfuerzos del sistema. La flexión ante cargas es menor por lo que el agotamiento del material se alarga. Pero, por contra, el mayor consumo de acero hace que sea más cara la solución. Por tanto, una inversión inicial debe analizar las dos variables fundamentales. Puede ocurrir que en algunos casos convenga adoptar pesos moderados para que la repercusión en el coste inicial del kilómetro de vía sea asumible. Por otra parte, la adopción del peso más adecuado para una explotación ferroviaria debe tener en cuenta que la gama de pesos es muy amplia. La fase de laminación de un carril, como se verá más adelante, no resulta fácil y, como consecuencia, no se dispone del peso más aproximado a las necesidades reales. Hay que ajustarse a la oferta de mercado pues no se puede solicitar un carril no estandarizado sin un costo excesivo. Para tener una idea de los componentes de la superestructura, a la vez que la de su precio, resulta interesante analizar la repercusión del coste del carril dentro del conjunto de materiales que constituyen el emparrillado. Para ello hay que tener en cuenta el precio de mercado del 67


acero, muy variable dentro de los últimos años por la gran demanda de países emergentes. Como ejemplo, suponiendo los valores aproximados siguientes se puede llegar a unas proporciones como las que se contemplan en la gráfica siguiente. Costes aproximados y sujetos al mercado: -

-

-

acero en barra larga de taller puesta en obra y sin montar: se puede manejar un precio entre 1€ y 1,4€ el kg de acero. traviesa de hormigón sin la sujeción: existen diversos tipos de traviesas de hormigón, variando ampliamente su precio en caso de tratarse de traviesas polivalentes o para tres carriles. Por otra parte, la separación de traviesas en una vía convencional suele ser de 60 cm. A los efectos de la valoración que se desea realizar aquí, se considerará una traviesa convencional de hormigón pretensado con el precio de 70€/unidad. sujeciones convencionales para una traviesa: en el caso de las sujeciones, también se presentan alternativas. Aquí se supondrá que todos los elementos de sujeción correspondientes a una traviesa tienen un coste de 20€. balasto. En este precio tiene un peso muy importante el coste de transporte desde la cantera (que cumpla las normas establecidas) a la obra. Suponiendo un coste de adquisición y transporte de 30€/t, y que en un metro de vía sencilla se 3 3 pueden emplear 2,4m /m (densidad aparente: 1,6t/m ), se dispone de todos los datos necesarios para poder evaluar el costo de este material.

Con todos estos datos aproximados que, se insiste, debe considerar las condiciones particulares de mercado, se puede establecer un gráfico como el que sigue donde se contempla la proporción con la que participa cada elemento en el coste total.

68


Gráfica 2.1. Importancia económica del carril respecto al conjunto de elementos de una vía.

En la siguiente tabla se muestran algunos carriles con su denominación y su sección transversal. Tabla 2.1. Tipos de carriles y sección transversal.

Denominación del carril UIC-50 UIC-54E UIC-54 UIC-60

Área 2 en mm 6392 6855 6934 7687

Cuanto mayor es la superficie, mayor es su peso y mayor es el precio por metro de carril. Por otra parte, la denominación UIC hace mención a la Unión Internacional de Ferrocarriles, que es un organismo ferroviario reconocido a nivel internacional, encargado, entre otras funciones, de la labor de normalización de los elementos integrantes del sistema ferroviario. El número, a continuación de las siglas UIC se refiere al peso del carril por metro.

69


3.1.3. ADHERENCIA-RUGOSIDAD Una de las justificaciones económicas del ferrocarril se basa precisamente en que la adherencia rueda-carril es muy baja, lo que permite transportar cargas con un bajo costo energético. Pero esto también implica inconvenientes. Por una parte, las rampas y pendientes deben tener unas limitaciones para que sea posible la explotación (mientras que en carretera se valoran las rampas y pendientes en tanto por cien, en el ferrocarril se evalúan en milésimas). En segundo lugar, la distancia de frenado deben ser mayores. Un tren de alta velocidad circulando a 300km/h necesita varios kilómetros de frenado por seguridad y más en caso de frenada comercial.

3.2. MATERIAL Se habla de que los primeros carriles eran de piedra y bronce (siglo V a.C.). En el siglo XV aparecen los carriles de madera para las minas. En el siglo XVIII se emplea el hierro y ya en el siglo XIX se empieza a utilizar el acero. Los carriles metálicos eran, en un principio, de hierro con la consiguiente fragilidad. Los materiales férreos se clasificaban en:

Hierro dulce con un 0,01 a 0,34% de carbono. Acero con un 0,34 a 1,70% de carbono. Fundición con un 2,50 a 6,60% de carbono.

Más tarde se pasó de la formación de carriles con hierro fundido a la técnica del laminado lo que permitió fabricar carriles de mayor longitud y tenacidad. Posteriormente, los incrementos de cargas y velocidades requirieron la introducción del acero. Con estas aleaciones se podían crear carriles con mayor duración (de 3 meses a 16 años). En la actualidad, todas las aleaciones de hierro en que la proporción de carbono es importante se denominan aceros, en caso de que se puedan 2 forjar, y fundiciones en caso contrario .

2

Según la Norma UNE 36 001-73, las definiciones son las siguientes:

70


En la práctica corriente se usa la siguiente clasificación empírica:

Acero extradulce: 0,15% de carbono. Acero dulce: 0,15-0,30% de carbono. Acero semiduro: 0,30-0,45% de carbono. Acero duro: 0,45-0,65% de carbono. Acero extraduro: 0,65-1,70% de carbono.

Por encima de las proporciones del 1,7% las fundiciones se denominan aceradas y por encima del 2,5% se tienen las fundiciones comunes. A continuación se analizarán las características en el aspecto químico y físico, siempre en base a las cualidades que debe cumplir el acero:

resistencia a la abrasión. ausencia de fragilidad. facilidad para soldar. adaptación al mercado nacional para obtener un precio de coste aceptable.

FUNDICIÓN: aleación de hierro y carbono, en pieza moldeada, que puede contener otros elementos de aleación, y en la que el contenido de carbono es superior al punto de saturación de la austenita (1,9 % de C). ACERO: es el producto férreo, generalmente apto para la conformación en caliente, en el que el contenido en carbono se mantiene inferior al límite de saturación de la austenita, con la excepción de ciertos aceros de alto contenido en cromo, en los que el carbono puede ser superior al citado límite.

71


3.2.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA Los elementos químicos que aparecen en el acero corriente, además del hierro y el carbono, suelen ser los siguientes: Fe, C, Si, S, P, As. Para aceros especiales se suelen añadir: Mn, Cr. En el caso del fósforo y del azufre, la eliminación total es cara y se opta por limitar su proporción.

n

n

n

Si

d 0,35 N d 0,90 ND

n

n

P(1)

d 0,05 N d 0,04 ND

n

imposible eliminarlo totalmente

1,5 - 2

S(1)

d 0,05 N d 0,04 ND

n

dificulta la soldabilidad

-------

Mn*

0,8-1,25 0,8-1,70

n

n

n

Cr*

0,8-1,30

n

n

n

n

en cantidades elevadas la disminuye

As

d 0,15

OTROS

N.

D.

39

58

facilita la laminación

4

7,5

en exceso da fragilidad

nSOLDp

Fe (*) Aceros resistentes al desgaste. (1) elementos difíciles de eliminar. Se limita su porcentaje máximo. 72

TRACCIÓN (kg/mm2)

0,4 - 0,8

FRAGILIDAD

TENACIDAD

C

%

DUREZA

RESISTENCIA AL DESGASTE

Tabla 2.2. Composición química de carriles y propiedades que se mejoran.

15

26

13

------21 ~ 94 a 127


3.2.2. P ROPIEDADES FÍSICAS La composición química del acero se fija para conseguir unas propiedades físicas determinadas. La más importante es la resistencia a tracción. Tabla 2.3. Propiedades físicas de los aceros. 3

Peso específico

7,83 kg/dm

Dilatación (coeficiente )

1,15 * 10-5 grados

Módulo elasticidad E

2,00 * 106 Kg/cm

-1

2

Normal

210 - 250 ud. BRINELL

Naturalmente Duro

375 ud. BRINELL

Dureza

Tanto la naturaleza química de los elementos que constituyen la aleación como los distintos métodos de fabricación han conseguido que, a lo largo del tiempo, se dispusiera de técnicas para aumentar la cada vez más la resistencia a tracción del acero.

Gráfica 2.2. Evolución en el tiempo de las resistencias a tracción del acero.

73


Resistencia Mínima Tracción (kg/mm2)

a

El acero puede elaborarse por distintos procedimientos (Thomas, Bessemer, Siemmens-Martin, Eléctrico, LD), una representación de la evolución de la resistencia, al mismo tiempo que del método de fabricación, se representa en la gráfica siguiente, aunque se sugiere que el lector consulte los procesos de fabricación en bibliografía específica de fabricación de materiales. Thomas, Siemens-Martin,eléctrico,LinzDonawitz

THOMAS, SIEMENS-MARTIN, ELÉCTRICO, LINZDONAWITZ

Gráfica 2.3. Relación entre la resistencia y el método de fabricación.

Actualmente, se utilizan diversas calidades de carril. Las más habituales son las siguientes:

Carril de calidad normal (CN) con una resistencia a la tracción 2 de 70 kg/mm . Su carga de rotura, en el ensayo de tracción, 2 debe estar comprendida entre 680 y 830 N/mm . Carril resistente al desgaste o carril naturalmente duro (ND) con 2 una resistencia a la tracción de 90 kg/mm . Su carga de rotura, 2 en el ensayo de tracción, debe ser superior a 800 N/mm . 2 Carril extraduro (ED) con una resistencia de 110 kg/mm . Su carga de rotura, en el ensayo de tracción, debe ser superior a 2 1.080 N/mm .

Dentro de los sistemas ferroviarios actuales se suele utilizar, sobre todo, el acero ND. El acero ED tiene su campo de utilización en determinadas zonas donde interesa que el desgaste sea más lento, por ejemplo en curvas muy cerradas, pero no conviene extenderlo a otras posiciones 74


pues entonces es la llanta de la rueda del material móvil la que sufre un deterioro más rápido. Por ello, es necesario adoptar soluciones de compromiso que contemplen todos estos aspectos. Además de conseguir carriles más resistentes mediante la adición de determinadas proporciones de diversos elementos químicos, también es posible una mejora mediante la utilización de tratamientos térmicos. El proceso se desarrolla en tres fases: a) b) c)

Calentamiento hasta una temperatura fijada. Mantenimiento durante tiempo prefijado a esa temperatura. Enfriamiento controlado.

Mediante este proceso se consigue mejorar las propiedades mecánicas sin producir alteraciones en la estructura química del acero.

Figura 2.1. Zonas de dureza conseguidas mediante tratamientos térmicos.

75


3.2.3. T EXTURA Es la característica del material que nos indica la estructura del acero. Depende de:

Composición. Proceso de fabricación. Evolución de las temperaturas. Tratamientos térmicos al carril ya fabricado.

Dentro del concepto de textura podemos considerar la macrotextura y la microtextura. Cada una de ellas nos da un tipo de información. La macrotextura es reflejo de calidad de fabricación y manipulación. Se estudia la calidad en base a la macrografía BAUMANN con la cual se puede observar si se cumplen las condiciones de tener un grano homogéneo, fino, uniforme, sin coqueras ni fisuras, sin segregación. Se mejora la calidad en este sentido, cuidando la laminación. La microtextura se analiza con microscopio de 100 a 200 aumentos, proporciona información sobre la resistencia al desgaste y la plasticidad. La tipología de la microestructura de los aceros puede cambiar con tratamientos térmicos como el martensítico y el sorbítico. El estudio de la microestructura muestra que una estructura sorbítica asegura: a)

resistencia al desgaste.

b)

plasticidad adecuada del material.

Una estructura martensítica presenta:

76

a)

resistencia al desgaste.

b)

mayor dureza.

c)

fragilidad relativa.


Ambas estructuras pueden conseguirse mediante tratamientos térmicos. El método sorbítico se basa en un enfriamiento suave de la superficie de rodadura y se ha abandonado por las fisuras que aparecen, mientras que el método martensítico se basa en un enfriamiento más rápido.

Figura 2.2. Análisis de la microestructura de un acero.

En cualquier caso se reproducen tensiones residuales. Para disminuir éstas, se procede a un enfriamiento retardado después de la laminación, que consiste en pasar los carriles a un recinto donde se establece un gradiente suave de temperaturas.

3.3. FORMA La forma de la sección transversal de un carril debe diseñarse atendiendo a los siguientes condicionantes:

resistir los esfuerzos a los que va a estar sometida una vía.

servir de rodadura (interacción rueda-carril), es decir, para guiar las ruedas de los trenes. Esto exige que la cabeza tenga una forma estudiada convenientemente y en armonía con la forma y perfil de las llantas de los vehículos.

77


poderse sujetar a las traviesas u otros carriles, es decir, asegurando la integración en la vía.

Todo ello se debe conseguir optimizando las características mecánicas de la sección (área, momento de inercia) y facilitando la estandarización del proceso de fabricación. Para cumplir con estos requisitos ha sido necesario diseñar una gama de perfiles cuyas características se exponen a continuación.

3.3.1. EVOLUCIÓN DE LOS PERFILES El carril se concibió desde el principio como una viga sometida a esfuerzos normales y transversales. Al producirse una flexión en dos direcciones, se concibió como viga en I (o doble T). El carril metálico primitivo tenía un reborde lateral que luego fue sustituido por la pestaña de las ruedas. Las primeras formas son simétricas (Figura .a). Es el caso de la doble cabeza. La idea era que cuando una cabeza se desgastara se le diera la vuelta al carril, pero se pudo comprobar que el desgaste que sufría el carril en la cabeza inferior en contacto con el apoyo la inutilizaba para su uso posterior. Se utilizó mucho en tiempos del hierro fundido por su fácil fabricación. Posteriormente se utilizó un mismo tipo de carril pero con la cabeza inferior con menos material (Figura .b), pues se desistió de su utilización como rodadura. Este último carril se conoce como BULL-HEAD. Estos carriles se sujetaban a la traviesa por medio de un cojinete metálico y una cuña de madera (Figura .c). La superficie de apoyo del 2 cojinete, unos 680 cm , permitió, durante mucho tiempo, la utilización de esta solución con traviesa de madera por su buen reparto de tensiones, a pesar del incremento de las cargas. Estos carriles aún es posible verlos en algunas vías secundarias inglesas y francesas.

78


(a)

(b)

(c)

Figura 2.3. Evolución de los carriles.

Otro tipo de carril muy utilizado es el de cabeza con garganta que hace la función de contracarril. Se utiliza en líneas tranviarias por la posibilidad de empotramiento, dejando a la vista la parte de la garganta, por donde circula la pestaña de la rueda. Se trata del carril PHOENIX (Figura 4.a). Y finalmente, antes de pasar al carril VIGNOLE, cabe citar el carril BRUNEL cuya característica es que no tiene alma. Suele utilizarse en instalaciones para puentes grúa (Figura 4.b) al tratarse de un carril sólido. Puede verse en instalaciones portuarias.

(a)

(b) Figura 2.4. Carril Phoenix y carril Brunel

79


Figura 2.5. Carril tipo Phoenix con distintos acabados urbanos.

3.3.2. PERFIL VIGNOLE . ELEMENTOS Con la introducción en Europa del carril de patín (flat-bottom rail) de la compañía AMERICAN STEVENS, debido al ingeniero inglés Charles Vignole (1793-1875), desaparece la utilización del carril Bull-Head. Este carril se caracteriza por tener tres partes bien diferenciadas: cabeza, alma y patín. Este tipo de carril se fija directamente a la traviesa o por medio de placas intermedias.

Figura 2.6. Partes del carril Vignole.

80


Como se muestra en la Figura 7, el carril Vignole tiene tres partes bien definidas:

La cabeza. Es la parte del carril que aguanta directamente los esfuerzos que le llegan del contacto con la rueda y la que sufre directamente el desgaste que le ocasionan los vehículos.

El alma. Colabora en la flexión del conjunto dando inercia vertical.

El patín. Es la base de apoyo. Mediante una amplia superficie se consigue el reparto de tensiones y se evita el vuelco del carril.

En los siguientes puntos se detallan las propiedades de cada una de las partes.

C ABEZA Las condiciones que se van a citar están encaminadas a conseguir la robustez adecuada para resistir y transmitir adecuadamente las cargas transmitidas por la rueda por ello debe tener un tamaño suficiente y una forma que permita un buen contacto con la llanta. Por tanto debe cumplir con las siguientes recomendaciones:

Anchura y altura suficiente en relación a rueda y pestaña. Normalmente, la anchura oscila entre 65 y 72 mm y la altura ronda los 50 mm.

Anchura y altura en proporción con el resto del carril.

Transmisión no puntual del esfuerzo.

Inclinación de las caras laterales para que en las curvas la presión de la pestaña sobre el carril sea mínima (misma inclinación).

Superficies adecuadas de apoyo de bridas y curvas de acuerdo.

81


Figura 2.7. Carril tipo Vignole donde se aprecia la cabeza, el alma y el patín.

A LMA Las dimensiones del alma vienen fijadas en función de las misiones que se le asignan:

Transmitir tensiones al patín. Dar inercia vertical. Permitir el embridado. Espesor suficiente para que no se doble lateralmente y para contrarrestar la corrosión.

Normalmente el alma suele tener entre 150 y 180 mm de altura. Hay que indicar que la transmisión de tensiones se hace correctamente si se dan las curvaturas necesarias al perfil. En caso contrario se producen fisuras.

P ATÍN Debe reunir las condiciones:

82

ancho suficiente para reparto adecuado de cargas. Las dimensiones normales de ancho suelen ser de 125 a 150 mm.


ancho suficiente para evitar el vuelco y dar inercia al emparrillado.

relación alto/ancho: 1,1 a 1,2.

Cabe decir que existe la posibilidad de dos formas distintas de laminado del patín. Con dos pendientes o con una. En el caso de dos pendientes se consigue un ahorro de material, pero también el laminado es más complejo al producirse quiebros que pueden introducir tensiones internas en el carril.

3.3.. LONGITUD DE BARRAS Los primeros carriles que se fabricaron se realizaron en barras muy cortas, de muy pocos metros. A medida que las técnicas avanzaron, los carriles se laminaron en mayores longitudes. Una mayor longitud reduce las soldaduras y los materiales de embridado. Como ejemplo, la línea de alta velocidad Madrid-Sevilla se montó con barra larga de taller de 288 metros, materializada soldando eléctricamente 16 barras elementales de 18 metros. Una vez descargadas en vía, las barras de 288 metros, a su vez, se soldaban mediante soldadura aluminotérmica para conseguir la barra larga soldada, concepto que se explicará más adelante. Posteriormente, en la línea de alta velocidad Madrid-Barcelona, se empieza a emplear barra elemental de taller laminada en longitudes de 36 metros, por lo que con 8 barras quedaba constituida la barra larga de taller de 288 metros, pero con 7 soldaduras eléctricas frente a las 15 de la línea Madrid-Sevilla. Actualmente en España ya se lamina carril de 90 metros, como barra elemental de taller, habiéndose utilizado en la línea de AVE Madrid-Valencia. En este caso, con tres barras y dos soldaduras eléctricas se constituyen las barras largas de taller, que aquí tienen 270 metros, para, posteriormente en obra, mediante soldadura aluminotérmica, constituir la BLS. En otros países, y en función de las instalaciones de laminación, se consiguen barras elementales de 120 metros o más. Cuanta más longitud el comportamiento del carril en obra resulta mejor al prescindirse de los puntos de heterogeneidad que suponen las soldaduras, pero la fabricación y el manejo requiere instalaciones y vehículos especiales.

83


3.4. PESO Se ha comentado que el peso es la característica que proporciona una idea general sobre el tipo y potencialidad del carril. El peso se expresa en kilogramos por metro, salvo en los países de origen anglosajón donde se mide en libras por yarda.

3.4.1. EVOLUCIÓN Las tres variables fundamentales que determinan la funcionalidad del carril son:

carga por eje del material móvil.

velocidad de circulación.

densidad de tráfico.

Los primeros perfiles eran muy ligeros, en general, inferiores a 25 kg/m. Al comienzo del siglo XX se llegó a 40 ó 50 kg/m. Para responder al incremento de cargas, velocidades y densidades de tráfico, se analizó incrementar la inercia vertical y, como consecuencia, la masa de los carriles, proponiéndose perfiles de 54 kg/m y 60 kg/m por parte de la UIC. El aumento de peso se hace con vistas a que su duración sea mayor y a compatibilizar esa duración con la de las traviesas. Cabe decir que la UIC tiene previsto un carril de 71kg/m con vistas a una futura utilización. En EEUU y en países de la antigua URSS ya se utilizan carriles más pesados, (de 60 a 90 kg/m, en aquellos casos en que las cargas por eje así lo requieren. La gráfica siguiente muestra la evolución de los pesos de los perfiles a lo largo de los años.

84


Gráfica 2.4. Evolución de los pesos de los perfiles (en kg/m).

3.4.2. PESO ÓPTIMO A lo largo del tiempo se ha tratado de plasmar en fórmulas de fácil aplicación la relación existente entre el tipo de carril empleado y las variables características que influyen en su dimensionamiento. No existe ningún método de base teórica obtenida en un estudio de desgaste de carril. Todas las fórmulas que se detallan a continuación son empíricas, pero pueden proporcionar un primer orden de magnitud en relación con el peso por metro de los carriles a emplear. No obstante, estas fórmulas no se suelen emplear - cuando se proyecta una nueva línea en una red, normalmente se tiene la idea previa sobre el carril a emplear. Por otra parte, es importante tener en cuenta las hipótesis bajo las cuales son empleadas estas fórmulas. No tendría sentido utilizar la fórmula de Yersov para un tren que va a circular a 300 km/h pues la sección de carril no tendría nada que ver con un carril convencional.

M ÉTODO DE E L C AIRO O DE CARGA

q

2,5· P

Siendo: q el peso del perfil (en kg/m) P: la carga del eje del vehículo más pesado (en toneladas) 85


M ÉTODO DE YERSHOV O DE VELOCIDAD Método válido para velocidades inferiores a 160 km/h.

q

V 2,2

Siendo: q el peso del perfil (en kg/m) V: la velocidad máxima de la línea (en km/h), con un máximo de 160 km/h

M ÉTODO DE SHULGA O DE TRÁFICO q 31,046 T 0,203 Siendo: q el peso del perfil (en kg/m) T: el tráfico (en millones de toneladas brutas/año)

Frente a estas tres fórmulas, que intentan evaluar el peso del carril considerando una sola variable, se plantea un cuarto procedimiento que integra las tres variables fundamentales en una sola fórmula manteniendo las hipótesis de partida bajo las cuales se emplean por separado. Se trata de la formulación de Shajunianz o fórmula de síntesis, la cual se presenta a continuación:

M ÉTODO DE SHAJUNIANZ O FÓRMULA DE SÍNTESIS Método válido para velocidades inferiores a 160 km/h.

q

86

a 1 + 4 T 1 0,012 V

2/3

P2 / 3


Siendo: q el peso del perfil (en kg/m) a: un parámetro que es del 1,2 para vagones y de 1,13 para locomotoras T: el tráfico (en millones de toneladas brutas/año) V: la velocidad máxima de la línea (en km/h), con un máximo de 160 km/h P: la carga del eje del vehículo más pesado (en toneladas) En la gráfica siguiente se han dado distintos parámetros (T, V, P, a) y se ha calculado el peso con cada una de las fórmulas.

Gráfica 2.5. Comparativo de los método y línea de tendencia.

Como se aprecia, existe gran dispersión, siendo los resultados obtenidos con la fórmula de SHAJUANINZ los más fiables, lo cual es razonable pues en la fórmula se sintetizan las tres variables fundamentales que definen el carril más adecuado.

3.5. PERFILES Como hemos visto hasta ahora, las exigencias se contradicen en parte, por lo que es difícil desarrollar carriles con un perfil óptimo y, a menudo, sólo ha sido posible la optimización tras largos años de experiencia práctica. 87


En función de los esfuerzos a los que va a estar sometida una vía, se puede aquilatar la utilización de un carril u otro, de tal forma que se pueda aprovechar mejor una determinada sección. Por ello, para no desperdiciar material sería conveniente disponer de una gama amplia de perfiles para elegir el más adecuado en cada momento, pero el proceso de fabricación es complejo y caro por lo que requiere una cierta estandarización, lo que lleva a una fabricación limitada en la gama de perfiles. Por economía y comodidad se manejan pocos tipos de perfiles. Diversos organismos ferroviarios internacionales han ayudado en esta estandarización. Normalmente un carril estandarizado se designa con un acrónimo que representa la administración u organismo que se ha encargado de normalizar sus características y con un número que indica el peso por unidad de longitud. Un carril UIC-54 tiene un peso de 54 kg/metro, según la normalización de la Union International des Chemins de fer (UIC). Los países anglosajones o de su influencia prefieren utilizar la relación de peso en libras por cada yarda. Existen catálogos de perfiles normalizados para su empleo en ferrocarriles, metros, tranvías e instalaciones especiales (ver apartado 5.3. Elección del tipo de perfil).

4. FABRICACIÓN Como veremos a continuación, los métodos de fabricación han evolucionado para conseguir mejores calidades de acero. Estas sucesivas mejoras han venido impuestas por las exigencias cada vez mayores a las que se somete el carril. En tal sentido, tanto las cargas como las grandes velocidades han incidido no solo en la evolución del perfil tipo, como se ha visto, sino también en la evolución del método de fabricación del acero y de la capacidad resistente del mismo. Los carriles de una vía férrea están sometidos a una serie de esfuerzos cuyo origen se encuentra en: a) b) 88

Proceso de fabricación. Flexión del emparrillado bajo la carga de la rueda.


c) d)

Tensiones en el contacto rueda-carril. Variaciones térmicas.

Pues bien, para resistir estos esfuerzos con garantía de comportamiento y con una durabilidad adecuada, se hace necesario fabricar carriles con un nivel de calidad alto y a precios asequibles. El acero para carriles debe tener una serie de propiedades para que se cumplan estas premisas. Por ello, desde que se inició la fabricación del acero en el siglo XIX, hasta nuestros días, ha habido una evolución profunda en los procedimientos de su fabricación. El proceso de fabricación consta, básicamente, de tres fases: a) b) c)

Fabricación del acero. Métodos de obtención. Laminación. Acabado.

4.1. FABRICACIÓN DEL ACERO. MÉTODOS DE OBTENCIÓN Aquí solo se explica someramente esta cuestión, para conocer en profundidad esta primera parte del proceso se recomienda consultar bibliografía específica sobre los procedimientos de obtención del producto que servirá para laminar carriles, indicada en el apartado final de este capítulo titulado “Bibliografía”. Los materiales férreos se producen en la actualidad industrialmente partiendo de los minerales de hierro que, tratados en altos hornos, sencillos o eléctricos, o en hornos eléctricos, proporcionan la fundición. Partiendo de la fundición o de la chatarra de hierro, o de una mezcla de ambas, se producen los aceros colados de laminación y los aceros y fundiciones para colada. Tradicionalmente se han usado métodos de fabricación como el Thomas o el llamado Bessemer, en la actualidad ya no se utilizan y se han sustituido por métodos más modernos como:

LINZ-DONAWITZ (o soplado de oxígeno) SIEMENS-MARTIN BASICO ELÉCTRICO

89


Estos métodos modernos pueden ser de convertidores de distintos tipos, de hornos eléctricos de arco H.E.A o de hornos de inducción.

Figura 2.8. Proceso de fabricación de la colada para carriles.

A partir de los hornos se obtienen "tochos" o lingotes de 8 a 10 toneladas y secciones de 20x20 cm. Las dos formas típicas en que se trabaja el acero son:

lingotes (BLOOMING). En este procedimiento, el producto se vierte en recipientes conocidos como lingoteras. Con dada bloom o lingote se puede fabricar una determinada longitud de carril.

colada continua (sección de 20x20 cm). En este procedimiento, el producto sale de la máquina sin interrupción hasta que la cuchara de alimentación se agota.

El acero producido en el convertidor se vierte en moldes. Se deja enfriar y cuando la masa del lingote se ha solidificado, se separan los moldes y los lingotes y se colocan en unos hornos verticales, manteniéndose al rojo vivo (entre 850º y 1.100ºC). Estos lingotes son los que sirven de base de laminación.

90


Figura 2.9. Almacenamiento de lingotes para posterior laminación de carril.

Los lingotes o tochos se enfrían lentamente para controlar los niveles de contenido de hidrógeno y se identifican para su trazabilidad. Posteriormente pasan una inspección y se almacenan hasta su transporte a las instalaciones de laminación.

4.2. LAMINACIÓN Una vez obtenido el acero en forma sólida se pasa a conformar el perfil del carril y se hace: -

calentamiento a 1.200ºC conformado previo en "prensa" para paso a laminación. paso por laminadoras (varias pasadas en cada una).

En el proceso de laminación es necesario calentarlos hasta temperaturas de unos 1.200ºC. Este proceso introduce la modificación de forma del lingote por lo que se introducen tensiones internas en el carril. Existen distintos procedimientos patentados para proceder a dar forma.

91


Figura 2.10. Lingote calentado circulando por rodillos de laminación.

Normalmente se realiza en tres fases: a) b) c)

Paso por tren de desbaste en caliente. Se realizan entre 5 y 7 pasadas. Paso por segundo tren de desbaste. Unas 5 pasadas. Tren acabador. Se pasa de perfil desbastado a perfil final de carril.

Al finalizar esta fase pueden iniciarse los tratamientos térmicos para endurecimiento de la cabeza de carril.

4.3. ACABADO El acabado consiste en:

92

corte en barras, almacenaje y enfriado (posibles tratamientos térmicos).


enderezado mediante pase por rodillos. fresado y taladrado de los extremos.

4.4. TENSIONES INTERNAS RESIDUALES Al enfriarse primero el exterior, los bordes adquieren resistencia y la "envoltura" exterior tiende a acortarse (o disminuir) mientras el interior, que mantiene la temperatura, lo hace más lentamente. Por ello aparecen tensiones que pueden llegar a dañar el carril y que dependen de la forma y de la velocidad de enfriamiento. El patín y el alma, por su mayor superficie, se enfrían antes que la cabeza con lo que se produce un acortamiento en sentido longitudinal. Posteriormente esto se compensa al enfriarse la cabeza. Además de la aparición de tensiones internas en el proceso de enfriamiento posterior al laminado, éstas también pueden aparecer en el proceso de enderezado en frío, además de las tensiones producidas en el desbastado y conformado final.

4.5. DEFECTOS DE FABRICACIÓN Los defectos de fabricación son aquellas anomalías que aparecen en los carriles como consecuencia de su fabricación. Los más importantes son:

Segregación Inclusiones sólidas o gaseosas Rechupe Defectos de laminación

4.5.1. SEGREGACIÓN El P, S y C se acumulan en determinadas zonas (impurezas) a causa de la mala colada o prematura laminación, produciéndose fisuras longitudinales. La segregación puede ser central o periférica (inversa).

4.5.2. INCLUSIONES SÓLIDAS O GASEOSAS Las inclusiones sólidas o gaseosas son causadas por enfriamientos rápidos.

93


4.5.3. RECHUPE Se produce por retracción al enfriarse de forma rápida.

4.5.4. DEFECTOS DE LAMINACIÓN Los defectos de laminación pueden ser de tres tipos:

Ondulaciones del borde del patín por falta de material. Rebabas del patín por exceso de material. Pliegues debidos a exceso de material aplastado sobre el perfil normal.

5. CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL CARRIL En este apartado, se describe una posible metodología para el diseño, se explican los criterios para la elección del carril. Se tendrán que tener en cuenta tres aspectos: 1. 2. 3.

Recopilación de datos o condicionantes externos. Elección de la resistencia. Elección del tipo de perfil.

5.1. RECOPILACIÓN DE DATOS O CONDICIONANTES EXTERNOS El paso previo para el diseño de una infraestructura ferroviaria es la recopilación de información que permita acotar la funcionalidad del sistema a diseñar. Muchos datos podrán ser obtenidos del estudio de tráfico previo al proyecto mientras que otros serán decisión del proyectista. Es necesario conocer: 3

3

TBR/km día (tráfico en Toneladas Brutas por kilómetro y por día). velocidad de proyecto de la línea.

Tonelada-kilómetro bruta remolcada (TBR): Unidad de medida del tráfico correspondiente al transporte de una tonelada (sin incluir el peso del vehículo que la transporta) en una distancia de un kilómetro.

94


características del tren de proyecto, conociendo la carga por eje en toneladas. 4 características del diseño del trazado (radios máximos y mínimos).

5.2. ELECCIÓN DE LA RESISTENCIA A TRACCIÓN Tal y como se ha dicho en el apartado 3.2.2. Propiedades físicas, de este capítulo, actualmente, se utilizan tres calidades de carril:

2

carril de calidad normal (CN) de 70 kg/mm . 2 carril naturalmente duro (ND) de 90 kg/mm . 2 carril extraduro (ED) de 110 kg/mm .

La utilización de los carriles resistentes al desgaste se localiza específicamente en las alineaciones curvas, donde la duración de los carriles de calidad normal se encuentra claramente disminuida por problemas específicos, como son: el desgaste lateral del hilo alto; eventualmente el “shelling”, en menor grado, y el aplastamiento del hilo bajo. Estos fenómenos pueden coexistir en las líneas con tráfico diversificado o afectar solamente a un hilo de la vía en aquellas de tráfico especializado. La norma N.R.V. 3-0-4.0 de Renfe sobre carriles resistentes al desgaste proporciona un gráfico donde se representan los dominios de utilización 2 de los carriles de 70, 90 y 110 kg/mm en función del radio de la curva y del tráfico total real de la línea. En las zonas de la figura en las que se solapan las dos calidades de carril utilizadas en RENFE deben tenerse en cuenta los parámetros citados anteriormente para adoptar la calidad más conveniente. En la página siguiente se muestra la gráfica de la norma que facilita la elección de la resistencia de los carriles. Si no se conocen algunos datos, cabe señalar que, el empleo de carril 2 de 90 kg/mm es adecuado ya que permite conseguir mayor homogeneidad en el desgaste de ambos hilos. 4

Se aprenderá a diseñar el trazado en los Capítulos 8 y 9.

95


Figura 2.11. Elección de la resistencia del carril según la norma de RENFE NRV 3040. 96


5.3. ELECCIÓN DEL TIPO DE PERFIL En el Apartado 3.4.2., Peso óptimo, se han descrito varios métodos empíricos para elegir el peso. Si bien estas fórmulas dan una idea del tipo de perfil de carril más adecuado según las características de la línea, las conclusiones finales para determinar la elección del tipo de carril dependen de las condiciones técnicas y económicas de cada país. Por otra parte, a nivel mundial, los distintos fabricantes de carriles tienden a la normalización y estandarización, como así también las distintas administraciones ferroviarias, lo cual limita la posibilidad de guiarse por un cálculo teórico. Antes de elegir el carril a emplear cabe destacar las siguientes consideraciones prácticas:

conviene elegir pesos de carriles mayores si son elevadas las cargas por eje, las velocidades o la densidad del tráfico. se tendrá que tener en cuenta que el aumento del peso del carril disminuye la resistencia a la rodadura y los gastos de explotación. no es recomendable que una red ferroviaria tenga más de 3 ó 4 tipos de perfiles distintos.

Para la elección del tipo de perfil, se puede proceder de la siguiente manera: 1.

Cálculo del peso del perfil (en kg/m) con el método de SHAJUNIANZ o de síntesis.

q

a 1 + 4 T 1 0,012 V

2/3

P2 / 3

Siendo: a: un parámetro que es del 1,2 para vagones y de 1,13 para locomotoras T: el tráfico (en millones de toneladas brutas/año) V: la velocidad máxima de la línea (en km/h), con un máximo de 160 km/h

97


P: la carga del eje del vehículo más pesado (en toneladas) Tabla 2.4. Órdenes de magnitud de la carga por eje en las distintas líneas

Tipo de línea

2.

Carga por eje (t)

Mercancías

12,75

Tráfico mixto

11,50

Alta velocidad

9,20

Análisis de las características del tráfico ya que actualmente las principales administraciones ferroviarias a nivel mundial, consideran la elección del tipo de riel en función de la densidad de tráfico (T). Veamos algunos ejemplos: Tabla 2.5. Criterios de selección del peso de los perfiles. Fuente: León Rodríguez, 2010.

Criterio de la UIC:

Criterio de SNCF (Francia):

Criterio AREMA (USA):

Criterio de los Ferrocarriles Rusos:

98

T30.000 TBR/día

45 Kg/mP50 Kg/m

30.000T60.000 TBR/día

50 Kg/mP60 Kg/m

T60.000 TBR/día

P= 60 Kg/m

T14.000 TBR/día

P= 45 Kg/m

14.000T30.000 TBR/día

P= 50 Kg/m

T30.000 TBR/día

P= 60 Kg/m

T9 MTBR/año

P= 57 Kg/m

9T18 MTBR/año

P= 65 Kg/m

18T32 MTBR/año

P= 70 Kg/m

T32 MTBR/año

P= 76 Kg/m

T25 MTBR/año

R50 (51,53 Kg/m)

25T50 MTBR/año

R65 (64,64 Kg/m)

T50 MTBR/año

R75 (74,44 Kg/m)


En general esto criterios se resumen en:

El carril de 45 ó 49 kg/m se utiliza en líneas secundarias y en vías de estaciones.

El carril de 54 kg/m se emplea en las líneas de redes por donde se circula a velocidades de hasta 140 ó 160 km/h.

El carril de 60 kg/m es el habitual para velocidades superiores a 160 km/h, incluyendo las líneas de alta velocidad.

Una vez analizadas estas consideraciones, se pasa al paso 3. 3.

Elección del perfil comercial más próximo. A continuación normalizados.

se

muestra

un

catálogo

de

perfiles

99


Figura 2.12. Perfiles de carriles normalizados. Fuente: Catálogo de Arcelor Mittal. 100


EJEMPLO 1: Se desea diseñar los carriles que se emplearán para una línea de cercanías cuya velocidad es de 120 km/h (R>1.000 metros). Se diseña para que puedan circular por ella trenes de mercancías y de pasajeros. Se espera un tráfico de 8.000 TBR/km día.

1. Elección de la resistencia Con el radio de la curva (R=1.000m) y sabiendo que el tráfico es de 8.000 TBR/km día, de la gráfica 6 se deduce que se requiere un carril 2 de calidad normal (CN) de 70 kg/mm . 2. Cálculo del peso del perfil teórico sabiendo que:

T: el tráfico (en millones de toneladas brutas/año) será T=8000 TBR/km día x 365 / 1.000.000 = 2,92 MTBR/km año

V= 120 km/h

P: la carga del eje del vehículo más pesado (en toneladas). Si sabemos que por la línea circularán trenes de mercancías y de pasajeros, sabemos que es una línea de tráfico mixto, de la Tabla 2, se deduce que P=11,50 t

Con esto: q

a 1+4 T 1 0,012V

2/ 3

P2 / 3

26kg/m

3. Análisis de las características del tráfico Si se observa la Tabla 2, veremos que, según la UIC, se requiere como mínimo un carril de 45kg/m (ya que el tráfico es de 8.000 TBR/km día). Como el cálculo teórico proporcionaba un peso muy inferior, tomaremos q=45kg/m. 4. Elección del perfil comercial más próximo, que en este caso podría ser el RN 45.

101


6. CONTROL DE CALIDAD En fase de obra, para garantizar las condiciones de ejecución y las estructurales, las administraciones ferroviarias exigen la realización de una serie de ensayos, que pasamos a exponer. Los ensayos se efectuarán durante el proceso de fabricación y cuando éste finaliza. Los resultados de estos ensayos y su validez deben comprobarse en obra para proceder a la recepción definitiva de los carriles producidos.

6.1. ENSAYOS EN FÁBRICA Los ensayos que deberán realizarse tras el proceso de fabricación son:

Inspección visual.

Ensayos mecánicos como el de tracción, choque y dureza.

Ensayos químicos y metalográficos.

Auscultaciones.

Figura 2.13. Inspección de carriles.

102


6.2. RECEPCIÓN Cuando un material llega a la obra, se debe hacer un control de recepción del mismo. En primer lugar se realiza un control documental, si los resultados de los ensayos realizados durante el proceso de fabricación, están dentro de los valores tolerables, se recibe el carril para su puesta en obra. Además de los informes de los ensayos se debe comprobar que los carriles suministrados se corresponden con las exigencias de proyecto. La forma de identificar los carriles se especifica según la figura adjunta. - mes y año de fabricación - calidad del acero - tipo de carril (N., N.D.) - cabeza del lingote, nº colada, nº lingote, posición del carril en el lingote - procedimiento de fabricación del acero - marca del fabricante

Figura 2.14. Identificación de los carriles.

Por último, es recomendable realizar un control geométrico. Aleatoriamente, se seleccionan carriles de los que se miden la: sección, longitud, escuadrado de extremos, orificios, enderezado y peso, tal y como muestra la figura siguiente. La validez del ensayo de control geométrico vendrá dada por el cumplimento de una serie de tolerancias en las medidas, tal y como muestra la figura siguiente.

103


Figura 2.15. Tolerancias de las distintas medidas de los carriles

7. PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO. IDEAS BÁSICAS DEL MONTAJE Recibido el material en obra y realizados los correspondientes ensayos de recepción, se procede a la puesta en obra de los carriles.

7.1. POSICIONAMIENTO DE LOS CARRILES Para realizar el posicionamiento de los carriles, las traviesas deben haber sido distribuidas previamente a lo largo de la traza, normalmente en los laterales, con el fin de permitir extender la primera capa de balasto. La descarga de carriles en obra condiciona el proceso a seguir pues debido a su longitud no es posible manejarlos con medios convencionales. Resulta necesaria la utilización de trenes carrileros para su transporte y descarga.

104


Figura 2.16. Transporte de carril mediante tren carrilero

Una vez llegan los carriles a obra, la fase crítica es la descarga en la plataforma para el posterior montaje del emparrillado. En la actualidad se utilizan dos procedimientos alternativos para esta descarga: utilizando vía auxiliar o arrastrando las barras apoyando los carriles en rodillos. En el primer caso, salvo que se trate de una duplicación y, por tanto, ya exista una vía, será necesario proceder a montar una vía auxiliar (normalmente con materiales de segundo uso) para poder realizar las maniobras de descarga. En el segundo procedimiento, el carrilero llega donde exista vía y, a partir de ese punto, se arrastran las barras sobre rodillos hasta su posición definitiva, habiendo, previamente, colocado una primera capa de balasto y las traviesas. En el primer caso, después de la descarga se procede al desmontaje de la vía auxiliar y se monta la vía nueva con los materiales definitivos.

Figura 2.17. Traviesas posicionadas y carril acopiado en paralelo a la vía. Fuente: ADIF. 105


Una vez que se ha retirado el tren carrilero y cajeado el lecho de balasto, se posicionan las traviesas que previamente han sido acopiadas a lo largo de la traza. Sobre las traviesas colocadas y sobre la vía auxiliar se posiciona el carril sobre la traviesa con ayuda de posicionadoras de carril.

Figura 2.18. Posicionadora de carril colocando carril sobre traviesa.

7.2. DEFECTOS DE EJECUCIÓN Durante la fase de montaje de vía pueden producirse una serie de daños sobre el carril, ya sean accidentales o por mala praxis:

Roturas de carril debidas a: o Descarrilos de los trenes carrileros o la maquinaria auxiliar o Llantas defectuosas o Arrastre de piezas

Cortes y taladros incorrectos Torceduras por mala colocación

La preparación del personal, el uso de maquinaria adecuada y el cumplimiento de la normativa, en cada caso, ayudan a evitar este tipo de daños. Esta es la razón por la que conviene que la contratación se haga con el debido rigor, en base a la capacitación técnica de las empresas y no solo por precios a la baja que, finalmente, se convierten en un problema permanente durante la ejecución de las obras y, posteriormente, en la explotación de la red. 106


8. DESGASTE DE LOS CARRILES Como toda infraestructura, las líneas ferroviarias tienen un tiempo de vida útil, pasado el cual, se plantea la necesidad de renovación masiva de materiales. La primera cuestión que se plantea en relación con la renovación de una vía es conocer y cuantificar el proceso que rige el deterioro de cada uno de los componentes. En el caso del carril es preciso conocer cuándo perderá sus características geométricoresistentes. La sustitución de un carril viene determinada por la existencia en él de defectos de distintas características o a causa de su desgaste vertical y lateral que le incapacita para continuar desarrollando su función soporte del material ferroviario y de guiado del mismo. Es bastante común poder localizar los defectos antes de que tenga lugar la rotura, generalmente mediante ultrasonidos. Las roturas de los carriles son habitualmente el resultado de un proceso de agotamiento por fatiga a partir del incremento de pequeños defectos o por concentraciones excesivamente grandes de tensiones.

8.1. CAUSAS DE LOS DEFECTOS DE USO (O DESGASTES ) Las causas de estos defectos son:

debidas al trazado de la vía (geométricas). debidas a la vía y material, de ellas se distinguen: o estructura y conservación o tipo y características del carril y rueda o perfil del carril y rueda Debidas al material rodante, por: o su peso y velocidad o tensiones y esfuerzos transmitidos o características y conservación Debidas a una gran intensidad de tráfico.

107


8.2. TIPOS DE DEFECTOS De forma general, los defectos se pueden clasificar en:

Desgaste vertical. Por abrasión y corrosión. Desgaste lateral (en general en curvas). Deformación plástica. Desgaste ondulatorio que da lugar a fenómenos de resonancia de: o onda corta: 6 mm de longitud de onda y 0,04-0,05 mm de profundidad. o onda larga: 10 cm a 2 m. Patinaje. Corrosión.

Figura 2.19. Desgaste por aplastamiento y desgaste lateral de carriles.

En el caso de grandes cargas por eje o grandes densidades de tráfico pesado, se tiende a producir un aplastamiento de los carriles, como se observa en la figura anterior, y pueden aparecer problemas de plastificación en el interior de la cabeza del carril. En vías de tráfico mixto, los vehículos rápidos tienden a producir desgastes laterales en el hilo alto por el rozamiento de la pestaña. En todo caso, para normalizar el estudio de los defectos de los carriles, la UIC ha preparado una clasificación que permite identificar de forma rápida el origen del defecto para poder efectuar controles y estudios 108


sistemáticos. Los defectos se catalogan según su localización, su aspecto y su causa. Para su catalogación se utiliza un sistema de cuatro cifras:

PRIMER DÍGITO: Localización del defecto en el carril.

SEGUNDO DÍGITO: Localización del defecto en el perfil.

TERCER DÍGITO: Dirección y tipo o causa del defecto.

CUARTO DÍGITO: Características adicionales.

Esta clasificación permite realizar estudios para la mejora de los carriles siguiendo unas pautas homogéneas para todas las administraciones.

9. REGENERACIÓN DE CARRILES Debido a la importancia económica del carril se aprovechan los carriles ya usados para nuevo uso, previa regeneración. Las condiciones que se deben cumplir (según la norma N.R.V. 3-02.0.sobre BARRAS REGENERADAS) son:

Carril de 42,5 kg/m 45 kg/m y 54 kg/m no anterior a 1925. Longitud mayor de 6 m. Desgastes. o vertical < 8 mm. o lateral de cabeza < 6 mm. o de alma < 2 mm. o de patín < 2 mm. Control ultrasónico (detectar fisuras).

El proceso y control se produce según la figura adjunta.

109


DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

RENFE transporte y suministro, hasta Taller, el carril usado. Los vagones de carril son descargados, en parque, con puente-grúa y apilados, procediendo a eliminar los restos de las soldaduras aluminotérmicas, inspección y almacenaje según defectos. Desecho de chatarra. Acopio de los carriles para el proceso de regenerado mediante puente-grúa. Limpieza de las superficies de rodadura en toda la longitud del carril. Detección visual y marca de los defectos que han de ser eliminados. Señalamiento de la longitud útil de carril. Auscultación de los carriles por ultrasonido en toda su longitud. Detección de los defectos internos. Enderezado de carriles.

Corte de carriles con sierra y selección de las zonas aprovechables. Restitución de la forma de la cabeza con máquina reperfiladora. Evacuación de las barras hasta almacenamiento con puentes-grúa.

el

punto

de

Clasificación de barras por longitudes y desgastes. Almacenamiento de las barras para ser transportadas a tajos. Figura 2.20. Proceso de regeneración de carriles, según la norma NRV 3020 de RENFE

110


BIBLIOGRAFÍA

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111

CAPÍTULO 3 LA TRAVIESA RICARDO INSA FRANCO, IGNACIO VILLALBA SANCHIS

Capítulo 3. La traviesa

ÍNDICE DEL CAPÍTULO 1. Introducción ......................................................................................117 2. Generalidades ..................................................................................118 2.1. Definición ..................................................................................118 2.2. Funciones .................................................................................118 2.3. Formas típicas ..........................................................................119 3. Tipos de traviesas ............................................................................120 3.1. Traviesas de madera ................................................................120 3.1.1. Generalidades .................................................................. 120 3.1.2. Ventajas e inconvenientes de las traviesas de madera ... 122 3.1.3. Tipos de traviesas de madera .......................................... 123 3.1.4. El proceso de fabricación ................................................. 126 3.1.5. Causas del deterioro de las traviesas de madera ............ 130 3.2. Traviesas metálicas ..................................................................130 3.2.1. Generalidades .................................................................. 130 3.2.2. Ventajas e inconvenientes de las traviesas metálicas ..... 131 3.2.3. Tipos de traviesas de metal ............................................. 132 3.3. Traviesas de hormigón .............................................................134 3.3.1. Generalidades .................................................................. 134 3.3.2. Ventajas e inconvenientes de las traviesas de hormigón ... 135 3.3.3. Tipos de traviesas de hormigón ....................................... 136 3.3.4. El proceso de fabricación ................................................. 140 4. Diseño de la traviesa ........................................................................141 4.1. Elección del material .................................................................141

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4.2. Dimensionamiento ................................................................... 142 4.3. Espaciamiento.......................................................................... 145 5. Control de calidad ............................................................................ 147 5.1. Ensayos estructurales durante el proceso de fabricación ........ 147 5.2. Recepción ................................................................................ 147 5.2.1. Control de recepción ........................................................ 147 5.2.2. Almacenamiento............................................................... 148 5.3. Ensayos en vía......................................................................... 150 6. Puesta en obra ................................................................................ 150 7. Regeneración de traviesas .............................................................. 151 7.1. Regeneración de traviesas de madera .................................... 151 7.2. Regeneración de traviesas metálicas ...................................... 152 Bibliografía ........................................................................................... 153

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1. INTRODUCCIÓN Las traviesas forman parte de la superestructura de la vía, dado que su coste es considerable en el conjunto, un buen diseño ahorrará costes de construcción y de explotación. Para que esto sea posible, es necesario conocer los tipos de traviesas existentes, las ventajas e inconvenientes que comporta su elección, las causas de su deterioro, etc. En el apartado 3 se analizarán todas estas características de los diferentes tipos de traviesas (de madera, metálicas y de hormigón). Desde los orígenes del ferrocarril, se empleó la madera como elemento soporte del carril. Las propiedades físicas y mecánicas de la misma y la abundancia de recursos naturales, hicieron que muchos países aconsejaran su empleo, tal y como se verá en el apartado 3.1. La escasez de madera en algunos países impulsó el empleo de otros materiales. En 1880 aparece en Alemania la traviesa de acero, lo que supuso una producción de gran interés para su industria siderúrgica. En el apartado 3.2 se detallan las propiedades y el proceso de fabricación de este tipo de traviesas. La aparición del hormigón y las posibilidades que ofrecía este material aumentaron el interés por este tipo de traviesas. Las investigaciones realizadas pusieron de manifiesto que las traviesas de hormigón tenían una elevada duración en servicio, proporcionaban mayor resistencia lateral, etc. En el apartado 3.3 se detallan las sus propiedades. En el apartado 4, se proponen unos criterios básicos para la elección de la traviesa. El objetivo es clarificar las ideas a la hora de diseñar una infraestructura ferroviaria. En los apartados 5 y 6 se proporcionan indicaciones necesarias en obra (control de calidad y procedimientos de construcción). Por último, en el apartado 7 se dan unas nociones básicas útiles en la fase de mantenimiento como son la identificación de los defectos de las traviesas y su renovación.

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2. GENERALIDADES 2.1. DEFINICIÓN Las traviesas son elementos transversales al eje de la vía, sobre los que se colocan los carriles y que constituyen a través de la sujeción el nexo de unión entre el carril y el balasto, formando el llamado emparrillado de vía. Como se vio en el Capítulo 1, por medio del carril, se transmite la carga desde la rueda hacia la traviesa. La traviesa recibe estas tensiones y las transmite a la capa de balasto.

2.2. FUNCIONES A continuación se recogen las funciones principales de las traviesas y se explica sus…: Funciones relacionadas con la geometría de la vía:

Servir de soporte para las vías formando el emparrillado de vía. Mantener un ancho de vía fijo. Ayudar a la nivelación o posicionamiento del carril en vertical. Permite inclinar el carril 1/20 hacia el interior, esta condición viene impuesta por las llantas troncocónicas para compensar la tendencia al vuelco.

Funciones relacionadas con la resistencia: La traviesa debe mantener la estabilidad de la vía tanto en el plano horizontal (longitudinal y transversal) como en el vertical. Asimismo, debe resistir a los esfuerzos estáticos procedentes del peso propio y a las variaciones térmicas como frente a los esfuerzos dinámicos debidos al paso de los trenes y los procedentes de las variaciones de temperatura. Funciones relacionadas con la transmisión de cargas: Es misión de la traviesa transmitir y repartir, sobre el balasto, las cargas verticales y horizontales transmitidas por los carriles. 118


Funciones relacionadas con la resistividad: las traviesas deberán mantener, si es posible por sí mismas, el aislamiento eléctrico entre los dos hilos del carril cuando la línea posea circuitos de señalización. deberán también ofrecer características aislantes para que las corrientes parásitas, procedentes de la electrificación, no perjudiquen las instalaciones situadas en el entorno de la vía.

2.3. FORMAS TÍPICAS El diseño de la traviesa debe cumplir dos requisitos fundamentales: que sea resistente y que sea viable económicamente en las fases de construcción y conservación. Además, en lo que respecta a la estabilidad de la vía, las dimensiones a considerar son:

la longitud y la anchura deben ser tales que proporcionen estabilidad en el plano vertical. la anchura, altura y peso deben ser tales que proporcionen estabilidad en el plano lateral. las tres dimensiones (ancho, alto y largo) y el peso deben proporcionar estabilidad en el plano longitudinal.

Así, atendiendo a todas estas consideraciones, existen unas formas típicas de traviesa que son las que se muestran en la figura siguiente.

Figura 3.1. Formas típicas de las traviesas 119


Estructuralmente, los distintos tipos de traviesas se comportan de forma distinta. Si se modeliza la traviesa como una viga simple y se calculan sus leyes de momentos flectores, observaremos que su comportamiento es distinto.

Figura 3.2. Comportamiento estructural de traviesas monobloque y bibloque

3. TIPOS DE TRAVIESAS La clasificación de los tipos de traviesas puede ser realizada atendiendo a dos criterios: el material de que están constituidas y sus características externas. Puesto que, en muchos casos, las características externas dependen del material, en este apartado se tratan los tipos de traviesas en función del material del que están fabricadas. Los materiales que pueden ser empleados en la fabricación de traviesas son: madera, acero, fundición, hormigón armado o pretensado e incluso, materiales sintéticos. Cada uno de ellos posee propiedades distintas que le son propias.

3.1. TRAVIESAS DE MADERA 3.1.1. GENERALIDADES Desde los orígenes del transporte ferroviario, ha sido la madera el material que ha satisfecho las funciones que le son propias a la traviesa. Aunque con el trascurso del tiempo, han surgido otros materiales, actualmente la traviesa de madera sigue representando cerca del 85% del total de traviesas colocadas en la red ferroviaria mundial.

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Figura 3.3. Traviesas de madera

La norma de RENFE N.R.V. 3-1-0.0 es la que regula las características y dimensiones de las traviesas de madera. También la ISO editó la norma UNE-EN 13145:2001 “Aplicaciones ferroviarias. Vías. Traviesas y soportes de madera” (esta anula a la UNE 25002:1976).

C UALIDADES INICIALES Inicialmente, las traviesas de madera son una buena elección que ha sido contrastada en el tiempo. Pese a que la madera es un material sensible a los agentes atmosféricos, posee características favorables como son la elasticidad, versatilidad, clavabilidad, conservación y las buenas características aislantes. Además, es un material abundante que no presenta, generalmente, problemas de suministro.

C ARACTERÍSTICAS FÍSICAS Las características físicas de la madera tienen características variables, no obstante, se recogen unos valores orientativos para traviesas.

la densidad, en términos normales suele variar entre 750 y 800 3 kg/m . En maderas tropicales, se puede alcanzar valores 3 superiores, del orden de 1.000 a 1.100 kg/m . 121


la resistencia al arranque del tirafondo se estima entre 40.000 y 80.000 kg. 5 5 el módulo de elasticidad (E) se estima entre 7·10 y 8·10 2 kg/cm , no obstante se percibe una clara disminución con el tiempo.

3.1.2. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS TRAVIESAS DE MADERA

Además de las características favorables ya citadas (elasticidad, versatilidad, clavabilidad, conservación y aislamiento) las traviesas de madera tienen las siguientes ventajas:

gran resistencia a todo tipo de esfuerzos, por ejemplo ante un accidente o descarrilamiento, la madera resiste bien el impacto, no se rompe, pues admite ligeras deformaciones. buena resistencia al deslizamiento sobre el balasto ya que el balasto se incrusta ligeramente sobre la traviesa. su poco peso facilita su manejo y abarata el transporte. la posibilidad de reutilización en vías secundarias o de servicio la hace más rentable. el proceso de fabricación es económico y sencillo. resistencia a los agentes atmosféricos.

Por el contrario, los inconvenientes detectados se resumen a continuación.

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la madera es un material combustible. su envejecimiento a lo largo de la vida útil de la infraestructura produce cambios sustanciales en las propiedades físicas. desde el punto de vista de la resistencia, el hecho de tener menor peso que otros materiales. por ser un material procedente de un organismo vivo, se deteriora mucho más por el ataque de microorganismos u hongos. clavadas en la madera, las sujeciones se debilitan más rápido.


3.1.3. T IPOS DE TRAVIESAS DE MADERA C LASIFICACIÓN SEGÚN LA CLASE DE MADERA EMPLEADA Las maderas utilizadas para la construcción de traviesas son principalmente:

roble proveniente de los bosques gallegos, vascos y del pirineo. En Francia, el 70 % de las traviesas son de esta variedad. haya, por ejemplo, en Francia, el 30 % de las traviesas son de esta variedad. pino, aunque abundante en la península, existen diversas calidades de característica muy diversas, no todas ellas aptas para la construcción de traviesas. abeto, madera roja del báltico, cedro, pinabeto, abedul, eucalipto son otras de las maderas empleadas en todo el mundo.

T RAVIESAS DE MADERA SEGÚN SU FORMA Las diversas formas de sección están, en líneas generales, normalizadas por la UIC. La forma de las traviesas es, aproximadamente, prismática, siendo la anchura de su cara inferior sensiblemente constante. Las dos caras, superior e inferior, son planas, lisas y sensiblemente paralelas, las caras laterales deberán seguir, aproximadamente, la veta de la madera y formar, con la cara inferior, un ángulo sensiblemente recto. En la cara superior de las traviesas se admiten variaciones de ancho, en la zona de apoyo de los carriles. La especificación técnica de la UIC limita la anchura de la capa inferior (l) entre 22 y 26 cm, la altura (e) a valores comprendidos entre 13 y 16 cm, la cara superior (d) entre 13 y 20 cm. La menor dimensión (r) deberá ser menor de 8 cm.

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Figura 3.4. Tipos de formas de las traviesas de madera

T RAVIESAS DE MADERA SEGÚN SUS DIMENSIONES Para el diseño del tamaño, cabe tener en cuenta dos aspectos: el económico y el técnico. La consideración del aspecto económico conduce a disminuir la sección, por el contrario, desde el punto de vista técnico interesa que la traviesa sea lo más pesada posible para asegurar la mayor estabilidad de la vía y evitar su tendencia al levantamiento. Para tener un orden de magnitud, la tabla siguiente muestra las dimensiones habituales en los distintos países. Tabla 3.1. Dimensiones de las traviesas de madera en diferentes países

País

Sección transversal

Longitud

Inglaterra

25,4 x 12,7

L = 259 cm

Alemania

26,0 x 16,0

L = 260 cm

América

23,0 x 18,0

L = 244 - 260 cm

Otros

21,0 x 13,0 30,0 x 16,0

L = 260 cm

La especificación técnica de la UIC que normaliza las dimensiones de las traviesas de madera, ha sido adoptada y adaptada por distintas administraciones ferroviarias como la RENFE. En la página siguiente se muestran las dimensiones de las traviesas de madera. Se observa que se distinguen las traviesas de primera y segunda categoría. Esta segunda categoría es de poca utilización, se reserva para líneas de poco movimiento en vías de apartadero y secundarias.

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Figura 3.5. Formas y dimensiones de las traviesas de madera según la norma N.R.V 3-1-0.0. Fuente: RENFE.

T RAVIESAS DE MADERA SEGÚN SU FUNCIÓN Además de los tipos citados, existen traviesas para aparatos de dilatación o juntas y traviesas especiales para puentes metálicos. Bajo los aparatos de vía se colocan unas traviesas especiales llamadas cachas. La norma N.R.V. 3-1-0.0 las define como “elementos 125


prismáticos de madera que se utilizan para sustentar los aparatos de la vía poseyendo longitudes mayores que las traviesas y escuadrías también superiores”. En el caso de vías con tercer carril, las traviesas deberán estar adaptadas para facilitar el apoyo de este.

3.1.4. EL PROCESO DE FABRICACIÓN El proceso de fabricación de las traviesas de madera tiene tres fases.

Figura 3.6. Proceso de fabricación de las traviesas de madera

F ASE I Durante los meses de noviembre a febrero, se procede a la tala de los árboles. Posteriormente se procede al descortezado de la madera que deberá hacerse en árboles vivos. En las caras de las traviesas no debe quedar ningún residuo de corteza ni de la zona del cambium. El final de la primera fase culmina con las operaciones de labrado.

F ASE II En la segunda fase son cuatro las operaciones que se deben realizar: secado, zunchado, cajeo y barrenado o taladro.

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El proceso de secado puede ser natural o artificial. Para la desecación natural, las traviesas se apilan de tal forma que se aireen de forma continua. La duración de este proceso va de 4 a 6 meses para el haya y hasta 18 meses para las maderas tropicales. El secado artificial se pude realizar al horno (se tarda 72 h a una temperatura de 80ºC), al aceite (con el método Boulton en el que se alcanzan temperaturas de 105 a 125ºC se tarda de 12 a 20 h) o al vapor (con el método de calor y vacío se finaliza el proceso de secado de 3 a 7 h). Durante el proceso de secado, aparecen en los extremos de las traviesas numerosas grietas que deben ser zunchadas. Las abrazaderas o zunchos son un aro de hierro con un bucle de fijación que se aprieta fuertemente comprimiendo las grietas.

Figura 3.7. Zuncho y sus dimensiones

Además de los zunchos, es posible comprimir las grietas con otros elementos como son los pernos y los flejes. Los pernos y zunchos se emplean para fisuras superiores a 2 mm y los flejes , cuando las fisuras son menores de 2 mm. En la Figura siguiente se aprecia que un perno es una pieza de hierro cilíndrica, con cabeza redonda por un extremo y asegurada con una tuerca por el otro, que apretándolo convenientemente, comprime las fisuras.

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Los flejes son unas tiras de chapa de acero de unos 3 mm de espesor que se clavan sobre la grieta para evitar la ampliación de la fisura.

Figura 3.8. a) Perno b) Fleje

El cajeo consiste en la realización de las entalladuras prismáticas necesarias en la cara superior de la traviesa para encajar las sujeciones que fijarán los carriles. Esta operación la efectúan máquinas semiautomáticas programadas para variar las dimensiones en función del tipo de sujeción que se va a emplear en la traviesa y el ancho de vía. La última operación de esta fase es la del taladro o barrenado que consiste en disponer los agujeros necesarios y en la posición correcta para fijar las sujeciones.

F ASE III La tercera fase se corresponde con la impregnación. Este proceso consiste en la preparación antiséptica de la traviesa para que resista a la putrefacción.

-A. C ARACTERÍSTICAS DE LOS IMPREGNANTES Los productos empleados, llamados impregnantes, deben tener poder insecticida y fungicida y éste se debe mantener en el tiempo. Además deben ser neutros ante las propiedades mecánicas (no deben modificarlas) y el pequeño material de vía (no deben atacar a los

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tirafondos, escarpias, placas de asiento de caucho, etc.) asimismo, deben conservar el carácter de aislante eléctrico de la madera. Desde el punto de vista de su uso es necesario que sea inyectable y que pueda repartirse homogéneamente por toda la superficie; su suministro no debe presenta problemas de disponibilidad y económicamente deber ser aceptable. Por último, desde el punto de vista medioambiental y social, no deben ser productos tóxicos.

- B . MÉTODOS DE IMPREGNACIÓN De forma general podemos decir que son tres los métodos básicos para la impregnación: el superficial, el método de vaso abierto y los métodos a presión. Superficial. Es el método más sencillo y barato de todos, también es el menos eficaz pues cosiste en aplicar el producto insecticida sólo en las capas externas de la traviesa. Vaso abierto. Consiste en sumergir la traviesa en un baño caliente para dilatarla, tras el enfriado de la misma, se rocía con impregnante a presión atmosférica. Métodos de presión. Son los más eficaces. Existen varias modalidades que combinan de forma distinta el vacío y la presión: El método Bethell o de célula llena consiste en introducir las traviesas en una cámara cilíndrica de acero. A dicha cámara se le efectúa un vacío de 0,65 kg durante 30 minutos. A continuación se llena de impregnante a una presión de 8 a 9 kg, esta presión se mantiene durante 60 minutos. Llegado ese tiempo, se vacía la cámara de líquido y, finalmente se vuelve a aplicar un vacío de 0,60 kg mantenido durante 20 minutos. Este proceso puede durar hasta 130 minutos y en él se consumen de 6 a 28 kg de líquido impregnante. En método Rüping o de célula vacía consiste en introducir las traviesas en una cámara cilíndrica de acero a la que se le somete a una presión inicial de 1,5 kg durante 30 minutos. A 129


continuación se llena de impregnante a una presión de 8 a 9 kg, esta presión se mantiene durante 75 a 180 minutos. Llegado ese tiempo, se vacía la cámara de líquido y, finalmente se vuelve a aplicar un vacío de 0,65 kg mantenido durante 30 minutos. Este proceso puede durar hasta 145 minutos y en él se consumen de 5 a 18 kg de líquido impregnante. Existen también otras variantes, como el método Lowry, una variante del Rüping, que elimina el primer escalón de presión.

3.1.5. C AUSAS DEL DETERIORO DE LAS TRAVIESAS DE MADERA Las causas esenciales que deterioran las traviesas de madera son debidas a diversos factores, como son:

los esfuerzos mecánicos a los que están sometidas. Seamos conscientes de que la superficie de contacto carril-traviesa (de 2 unos 200 cm ) está sometida, durante el paso de los trenes, a una fuerza de 220 kN, los esfuerzos transmitidos son importantes. la formación de grietas, producidas por la heterogeneidad propia de la madera y las variaciones de humedad. los ataques biológicos. los ataques químicos que disgregan la madera.

3.2. TRAVIESAS METÁLICAS 3.2.1. GENERALIDADES Las traviesas metálicas están formadas por una lámina doblada en forma de U invertida un unas pequeñas aletas en sus extremos con el fin de que se hinquen en el balasto para evitar desplazamientos. En planta, pueden tener forma plana o una ligera curvatura. Son traviesas que se han utilizado en algunos países como Alemania, Suiza, Argelia o la India. Las propiedades mecánicas destacables son la resistencia a tracción 2 que oscila entre 37 y 48 kg/mm , el alargamiento en rotura que supera el 25 % y la capacidad de plegado.

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Figura 3.9. Traviesa de acero

3.2.2. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS TRAVIESAS METÁLICAS

Las principales ventajas de las traviesas metálicas están ligadas a aspectos económicos tanto en fase de uso como de mantenimiento. Algunas de ellas son:

Fácil almacenaje y transporte (reduciendo costes). Larga vida útil, pueden llegar a superar los 50 años en funcionamiento. Posibilidad de regeneración o de reventa para chatarra, lo que reduce costes.

Pese a que las traviesas metálicas funcionan bien desde el punto de vista de la transmisión de esfuerzos, se destacan los siguientes inconvenientes:

No se adaptan bien a las vías formadas por barras largas soldadas. Resulta difícil lograr un aislamiento eléctrico eficaz. Son ruidosas. Sólo se pueden emplear para velocidades menores de 140 km/h.

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3.2.3. T IPOS DE TRAVIESAS DE METAL C LASIFICACIÓN SEGÚN EL MATERIAL Se distinguen dos tipos de traviesas según el material del que están fabricadas: las de acero y las de fundición. Las traviesas de acero son las más extendidas ya que el proceso de fabricación es más barato. Algunos procesos de fabricación son el de Thomas, Bessemer, Siemens o Linz. Las traviesas de fundición son, de más sencilla fabricación además resisten mejor la corrosión.

C LASIFICACIÓN SEGÚN SU FORMA De las formas típicas que suelen tener las traviesas (explicado en 2.3.), las traviesas metálicas son monobloque o bibloque con riostra. Los bloques están formados con chapas laminadas o en llantones. La sección transversal de las traviesas metálicas adopta diversas formas, normalizadas por la norma ISO 6305-3: “Componentes para ferrocarriles. Requisitos técnicos de suministro. Parte 3: Traviesas de acero” cuya versión inglesa data de 1983 y en fase de actualización desde 1998. Las formas más comunes son: en U invertida y en V. De las dos, la más usual es la traviesa en U invertida, también conocida como “traviesa alemana”, su modelo estandarizado es el Sw9.

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Figura 3.10. Sección de la traviesa de acero Sw9. Fuente: Lichtberger, B.

Figura 3.11. Sección de la traviesa de acero en V. Fuente: García D., J, M.

En planta, las traviesas metálicas no son completamente planas, en los extremos tienen una ligera curvatura como se muestra en la figura siguiente. Su longitud es variable, puede ir desde 2,20 a 2,70 metros.

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Figura 3.12. Planta de una traviesa de acero Sw9. Fuente: García D., J, M.

También existen traviesas dobles (con forma de W invertida) que se colocan en las junta de dilatación de los puentes.

3.3. TRAVIESAS DE HORMIGÓN 3.3.1. GENERALIDADES En 1877 se usó por primera vez la técnica del hormigón armado para la realización de traviesas. Fueron traviesas bibloque que no dieron resultados muy positivos. No obstante, en los años siguientes continuaron las pruebas y ensayos con las traviesas de hormigón armado, periodo en el que se alternaba el uso de los distintos materiales: madera y acero. Durante la Segunda Guerra Mundial, debido a la falta de suministros, se desarrolla un gran interés por las traviesas hormigón armado y pretensado, dando resultados más satisfactorios.

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Figura 3.13. Traviesas monobloque de hormigón

La forma y dimensiones de la traviesa de hormigón armado también fue evolucionando. Al principio tenía forma paralelepipédica, con el tiempo se observó que no era la forma más adecuada y aparecieron las traviesas bibloque o aquellas que tienen una reducción de sección en el centro de la traviesa.

3.3.2. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS TRAVIESAS DE HORMIGÓN

En la actualidad, las traviesas de hormigón son las más empleadas, tanto en líneas convencionales, líneas de alta velocidad o líneas de metro. Esto es debido a las ventajas que ofrecen, resaltamos las siguientes:

larga vida útil, pueden llegar a superar los 50 años en funcionamiento. permanencia y homogeneidad de sus características mecánicas. resistencia al desplazamiento ofrecida por su peso, estas traviesas proporcionan elevada estabilidad a la vía y, en sentido transversal disminuye el riesgo al pandeo.

Sin embargo, se destacan los siguientes inconvenientes:

es precisamente el peso del hormigón el que hace que estas traviesas sean de difícil manejo. son traviesas más caras.

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presentan problemas de aislamiento, ya que son buenas conductoras de la corriente eléctrica.

3.3.3. T IPOS DE TRAVIESAS DE HORMIGÓN Cada administración ferroviaria clasifica las traviesas de hormigón en distintos tipos como veremos en este apartado.

T RAVIESAS DE HORMIGÓN SEGÚN LOS MATERIALES EMPLEADOS A . T RAVIESAS DE HORMIGÓN ARMADO Las traviesas de hormigón armado fueron las primeras que se desarrollaron. Al principio tenían forma paralelepipédica, con el tiempo se observó que no era la forma más adecuada ya que se producía la rotura frágil por fisuración. Esto es debido a que, el paso de los trenes, le transmite una vibración al balasto que tiende a moverlo desde los extremos de la traviesa hacia la parte central de ésta. El balasto se concentra en el centro de la misma (quedando levantado) por el contrario los extremos quedan hundidos. Esta disposición crea un momento flector negativo en la parte central, en esta zona el hormigón trabaja a tracción produciéndose la figuración del mismo. Para evitar esta situación, se idearon varias soluciones. En primer lugar la tendencia fue trabajar en el diseño de la traviesa: reforzando el armado o disminuyendo la sección central. También se plantearon 5 soluciones de mantenimiento, como intensificar el bateo del balasto bajo los extremos donde se apoyan los carriles para evitar el hundimiento. Con el tiempo se llegó a la conclusión de que no era la mejor solución, las traviesas de hormigón armado pasan a ser sustituidas por las traviesas mixtas hormigón-acero. Durante años coexisten las dos siendo la traviesa de hormigón armado cada vez menos utilizada, hasta que, 5

BATEO: Operación de corrección de la nivelación de la vía consistente en la compactación enérgica del balasto bajo las traviesas proporcionándoles una base sólida. Para la realización de esta operación se recurre a la máquina bateadora. BATEADORA: Máquina de vía utilizada para la nivelación y compactación del balasto, dotada de bates vibrantes que se introducen en la capa de balasto y lo compacta enérgicamente bajo las traviesas.

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finalmente, en 1997 RENFE deroga toda la normativa relacionada con las traviesas de hormigón armado. B . T RAVIESAS MIXTAS HORMIGÓN - ACERO Las traviesas mixtas hormigón-acero surgen como solución al problema que planteaban las traviesas de hormigón armado (figuración de la parte central del hormigón al trabajar a tracción). Están formadas por dos bloques de hormigón armado unidos por un perfil metálico. Su principal ventaja es la facilidad de construcción, en cambio, presenta riesgo de corrosión de la riostra y mal comportamiento en los descarrilos y requiere gran cantidad de acero para su fabricación. C . T RAVIESAS DE HORMIGÓN PRETENSADO Las traviesas de hormigón pretensado aparecen hacia 1950. Su desarrollo permite obtener una mejor resistencia a los esfuerzos ya que el presentado obliga a que el hormigón trabaje a compresión. Además, la posición del cable de pretensado obliga a reducir la sección en la parte central y requieren menor armadura pasiva. Según el método de fabricación, se distinguen las traviesas pretesas y postesas. Las traviesas pretesas son aquellas que se fabrican aplicando un tesado (tracción) inicial al cable o armadua activa. Posteriormente se vierte en el molde el hormigón y, cuando adquiere la resistencia necesaria, se libera la armadura de los dispositivos de anclaje comprimiendo al hormigón. Las traviesas postesas en cambio se fabrican vertiendo primero el hormigón, después se pasa el cable de tesado por una vaina embebida en el hormigón y se efectúa el tesado de ésta. Para fijar el cable a la vaina, se puede inyectar lechada. Las traviesas de hormigón pretensado (con armadura pretesa generalmente) son, desde hace tiempo, la base de la construcción de vías de ferrocarril, tanto en España como internacionalmente. Todas las 137


traviesas están homologadas por RENFE para suministros para vías convencionales, de velocidad alta (220 km/h) y de alta velocidad (300350 km/h).

T RAVIESAS DE HORMIGÓN SEGÚN SU FORMA La forma de las traviesas está muy relacionada con los materiales empleados para su fabricación. Se distinguen traviesas de dos rótulas, de dos bloques o monobloque. A . T RAVIESAS DE DOS RÓTULAS Las traviesas de dos rótulas son traviesas de hormigón armado formadas por tres bloques de hormigón unidos por una barra de acero. Entre dos bloques, se permite un cierto giro. Estas traviesas sufren un deterioro rápido, no transmiten de forma eficiente las tensiones y no son adecuadas para asegurar el mantenimiento del ancho de vía. B . T RAVIESAS BIBLOQUE Las traviesas bibloque o de dos bloques se fabrican con hormigón y acero. Sus ventajas e inconvenientes en cuanto al material (fácil de fabricar, gran consumo de acero, riesgo de corrosión de la riostra y mal comportamiento ante el descarrilo) han sido explicadas en el apartado 3.

B.1.T RAVIESAS MIXTAS HORMIGÓN - ACERO Desde el punto de vista de su forma, su principal ventaja es su gran resistencia lateral, en cambio, presenta un mayor número de inconvenientes: problemas de mantenimiento por deformación en las operaciones de bateo, dificultades para mantener el ancho de vía y la poca superficie de apoyo.

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Figura 3.14. Traviesa bibloque

C .T RAVIESAS MONOBLOQUE Las traviesas monobloque más usadas son las construidas con hormigón pretensado, esta compresión inicial les confiera una mejor resistencia con menor sección. Como se ha mencionado, requieren menos cantidad de acero (de 7 a 21 kg) y son relativamente ligeras (320 kg).

Figura 3.15. Traviesa monobloque. Fuente: RENFE.

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T RAVIESAS DE HORMIGÓN SEGÚN SUS DIMENSIONES Cada una de las traviesas explicadas con anterioridad requiere unas dimensiones diferentes. Los tamaños de la sección transversal pueden ir de 25 x 21 cm a 30 x 25 cm y su longitud varía entre 220 y 280 cm. En la actualidad, todas las traviesas están homologadas por las administraciones ferroviarias. Los proveedores que producen y suministran traviesas, las fabrican teniendo en cuenta unas dimensiones previamente establecidas. En España, existen varios tipos de traviesas homologadas por RENFE. Las dimensiones dependen del ancho de vía, del carril utilizado y del tipo de línea a la que van destinadas (mercancía, viajeros, alta velocidad, etc.).

3.3.4. EL PROCESO DE FABRICACIÓN El proceso de fabricación de las traviesas de hormigón es muy similar al de vigas prefabricadas. En el caso de las traviesas, los materiales necesarios vienen especificados por la norma UNE-EN 13230-1:2010 Aplicaciones ferroviarias. Vía. Traviesas y soportes de hormigón. Parte 1: Requisitos generales. Algunas de las consideraciones son:

se recomienda el uso de cemento Portland de tipo CEM I con una clase de resistencia mínima de 42,5. la relación agua/cemento debe ser inferior a 0,45 3 el contenido mínimo de cemento debe ser de 300 kg/m se usarán solamente de áridos no reactivos (se recomiendan los silíceos) el tamaño máximo del árido se debe determinar teniendo en cuenta el recubrimiento mínimo y la separación mínima de las armaduras, aunque normalmente se limita a 20 mm

Las armaduras estarán formadas por barras con diámetro comprendido entre 8 y 16 mm, los cables de pretensado tendrán diámetros de 4 a 6 mm y los de postesado de 10 a 14mm. Las riostras son de acero laminado.

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Una vez preparados y dosificados los materiales, se fabrica el hormigón que se verterá en el molde con vibración simultánea. Cuando ha alcanzado la resistencia mínima se desmolda, se cura y se acopia. Deben asegurarse los correspondientes controles de fabricación.

4. DISEÑO DE LA TRAVIESA Este apartado proporciona unas pautas sencillas para facilitar el diseño de las traviesas. Es básica la definición en proyecto de tres parámetros: material, dimensiones y espaciamiento. Cabe resaltar que, antes de diseñar la traviesa de una línea hay que 6 conocer dos variables esenciales: las acciones del tráfico y la reacción 7 del balasto .

4.1. ELECCIÓN DEL MATERIAL Tradicionalmente, en España se han utilizado traviesas de madera, traviesas bibloque (con traviesa de acero) hasta velocidades de 160km/h o traviesas de hormigón pre o postesado. La elección del material depende de razones económicas, así como de los recursos de cada país. Las razones económicas se basan en el precio de adquisición, la duración, el valor de recuperación de la inversión y el mantenimiento. El avance de las investigaciones que se realizan sobre los comportamientos de las traviesas, también impulsan a las diferentes administraciones ferroviarias al uso de un material u otro. En la actualidad, son las traviesas de hormigón pretensado las más utilizadas.

6 7

Las acciones l dimensionamiento del balasto se abordará en el Capítulo 4. El dimensionamiento del balasto se abordará en el Capítulo 4.

141


4.2. DIMENSIONAMIENTO La longitud de las traviesas depende del ancho de vía, por ejemplo, para vía métrica, la longitud de las traviesas está entre 1,80 y 2,00 m; para vía de ancho ibérico, las traviesas oscilan entre 2,45 y 2,70 m. Las dimensiones de la sección transversal depende, como se ha dicho, de las acciones del tráfico y la reacción del balasto. No obstante, al igual que sucedía con los perfiles de los carriles, las administraciones ferroviarias han tendido también a normalizar las dimensiones de los carriles. 8

RENFE, es sus normas N.R.V y ADIF , han diseñado varios modelos de traviesas. Todas ellas, se llevan, en su denominación, las dos últimas cifras del año en que fueron diseñadas, así como dos letras que las identifican. En el caso de traviesas de hormigón pretensado, las dos letras finales indican el tipo de pretensado y la altura del cable.

PR-90 EB Identificación

Año en el que fue diseñada

Tipo de pretensado E: pretesa S: postesa A: armado alto B: armado bajo N: armado nuevo

Entre las traviesas bibloque destacan:

8

traviesas bibloque - RENFE (BR) aptas exclusivamente para vía ancha, de las que existe el modelo BR-94.

El Administrador de Infraestructuras Ferroviarias (ADIF) es una entidad pública empresarial que se configura como un organismo público adscrito al Ministerio de Fomento, creado mediante la Ley del Sector Ferroviario, 39/2003. Goza de personalidad jurídica propia y entre sus funciones se incluye: la gestión del tráfico ferroviario, la administración de la infraestructura, el cobro de cánones y la realización de infraestructura que le encargue el gobierno de la Nación.

142


traviesas polivalentes bibloque (PB-91) que pueden instalarse en ambos anchos de vía. traviesas especiales, en placa de hormigón, monovalentes Stedef, para ancho RENFE o para ancho internacional. traviesas especiales, en placa de hormigón, polivalentes Stedef, para vía ancha de 1.668 mm y para vía internacional de 1.435 mm.

Los tipos de traviesas monobloque son:

traviesas monobloque - RENFE (MR) aptas exclusivamente para vía ancha, de las que existe el modelo MR-93 y el MR-00. traviesas monobloque para ancho internacional (AI) aptas exclusivamente para este ancho. Existe el modelo AI-89, AI-99 y el AI-04. traviesas polivalentes - RENFE, (PR) para vía ancha de 1.668 mm y para vía internacional de 1.435 mm. Existen los modelos PR-90 y PR-01.

Las tablas siguientes son un resumen del campo de aplicación de cada una de las traviesas, según especifican las normas N.R.V 3121 y 3131. Se distinguen traviesas según el tipo de vía (sobre balasto o en placa), el tipo de carril elegido, el ancho de vía y la velocidad de diseño de la línea.

143


Tabla 3.2. Resumen del uso de las traviesas en vía convencional

Vía convencional Tipo de carril

Ancho de vía ibérico

Ancho de vía internacional

V<160 km/h

V>160 km/h

V<160 km/h

V>160 km/h

RN 15

PB-91 BR-94

-

PB-91

-

UIC 54

PB-91 BR-94 STEDEF MR-93 MR-00 PR-90 PR-01

MR-93 PR-90 PR-01

PB-91 STEDEF AI-89 PR-90 PR-01

AI-89 PR-90 PR-01

UIC 60

STEDEF MR-93 MR-00 PR-90 PR-01

MR-93 PR-90 PR-01

STEDEF AI-89 PR-90 PR-01

AI-89 AI-99 AI-04 PR-90 PR-01

Tabla 3.3. Resumen del uso de las traviesas en vía en placa

Vía en placa Tipo de carril

Ancho de vía ibérico V<160 km/h

V>160 km/h

Ancho de vía internacional V<160 km/h

V>160 km/h

RN 15 UIC 54

STEDEF

STEDEF

UIC 60

STEDEF

STEDEF

Stedef Alta Velocidad

En el caso de vía en placa, existen muchas más posibilidades de las que se muestran en la tabla ya que, muchas de las traviesas usadas en vía convencional son igualmente aplicables a las vías sobre hormigón o en placa.

144


Además de todas las traviesas recogidas en las tablas, que son las comúnmente utilizadas, existen también las traviesas RS (bibloque) y las DW (monobloque) que se empleaban en vía ancha y se consideran a extinguir. En los últimos años, tras haber analizado y considerado todos los parámetros nuevos que se introducen en la producción de las traviesas para tres carriles, se ha desarrollado un tipo de traviesa monobloque denominada AM-00, que es válida para dos los dos anchos de forma simultánea, permite implantar tres carriles, y admite unas condiciones de explotación de 22,5 toneladas por eje y una velocidad máxima de 250 km/h. Las traviesas como la AM-05 permiten implantar los dos anchos de vía de forma simultánea.

Figura 3.16. Traviesa AM-00 (izquierda) y AM-05 (derecha) Fuente: Revista de la Fundación de los Ferrocarriles Españoles, Vía Libre.

4.3. ESPACIAMIENTO El último de los parámetros a diseñar es el espaciamiento o distancia entre ejes de traviesas. El espaciamiento mínimo es de 50 cm debido a las necesidades del mantenimiento, como el bateo. El espaciamiento máximo es de 80 a 100 cm debido a la calidad de la plataforma, a la carga por eje y a la flexión del carril. Por ejemplo, en vías en placa de ancho métrico se han colocado traviesas separadas 70 cm, como en Metro Madrid. En vías con traviesa de madera, la norma N.R.V 3100 proporciona el espaciamiento recomendado para cada tipo de carril. Normalmente, en vías con traviesas de hormigón bibloque o monobloque (cuyo peso es de 245 kg a 300 kg) se colocan a una 145


distancia, entre ejes de traviesas, de 60 cm, es decir 1666 unidades por kilómetro. Esta regla general, tiene algunas excepciones:

En curvas cuyo radio está comprendido entre 300 y 400 m y las traviesas son de hormigón bibloque, se colocarán a 53 centímetros (1.887 por kilómetro de vía).

En curvas cuyo radio está comprendido entre 250 y 300, los carriles sean de modelo UIC 54 o UIC 60 y las traviesas sean de hormigón monobloque, se colocarán a 53 centímetros entre ejes de traviesas (1.887 por kilómetro de vía).

EJEMPLO 2: En el Capítulo 2, se concluyó que, para la línea del Ejercicio 1, el perfil comercial más adecuado era el RN 45. Se desea diseñar las traviesas más económicas que sean aptas para dicha línea. Se recuerda que es una línea convencional con ancho de 1.668 mm.

1. Elección de las traviesas posibles En la Tabla 3 (vía convencional) con carril RN 45 y V=120 km/h (V<160 km/h, de ancho ibérico, se tienen las traviesas PB-91 y BR-94. 2. Cálculo del espaciamiento Puesto que se usarán traviesas de hormigón, se propone el uso del parámetro más usado que corresponde con un espaciamiento de 60 cm. Además en este caso, el carril es el RN 45, puesto que las excepciones son con carriles UIC 54 y 60, no afectan en este caso. 3. Elección de la traviesa según su precio En este caso, hemos elegido las traviesas PB-91 y BR-94, en función de los precios ofertados por los proveedores de material de vía, se elegiría la traviesa más barata. 146


5. CONTROL DE CALIDAD Ya en fase de obra, para garantizar las condiciones de ejecución y estructurales, las Administraciones Ferroviarias exigen la realización de una serie de ensayos. Los ensayos se efectuarán durante el proceso de fabricación y cuando éste finaliza. Los resultados de estos ensayos y su validez deberá comprobarse en obra para proceder a la recepción definitiva de las traviesas producidas.

5.1. ENSAYOS ESTRUCTURALES DURANTE EL PROCESO DE FABRICACIÓN Las empresas que fabrican traviesas para una Administración Ferroviaria como, por ejemplo, ADIF deben estar certificadas. Se considera requisito imprescindible para que un proveedor pueda poseer carácter de "homologado" en el suministro de traviesas que su sistema de control de calidad de su fabricación cumpla las condiciones de la Norma UNE-EN ISO 9001 y que se halle registrado como Empresa mediante certificado expedido por un Organismo solvente. Para acreditar la certificación, las periódicamente los ensayos siguientes:

carga estática

carga dinámica

resistencia eléctrica

resistencia al impacto

empresas

deben

realizar

5.2. RECEPCIÓN 5.2.1. CONTROL DE RECEPCIÓN La recepción de un material en obra, como son las traviesas, implica la realización de un control documental en el que la empresa acredite que ha habido un control de fabricación y se han realizado ensayos estructurales periódicos, como los ensayos de resistencia.

147


Además de este control de los certificados de la empresa, las traviesas se recepcionan aplicando las prescripciones de la Especificación Técnica para el suministro de traviesas de hormigón armado y de traviesas monobloque de hormigón pretensado (ET 03.360.561.9 y E.T. 03.360.562.7) de ADIF. Esta norma especifica todas las operaciones y proecesos de recepción. En general, debe haber un control visual de:

las marcas de identificación y de fábrica que se deben estar en relieve, en la cara superior de la traviesa e indican, al menos: la marca y ubicación de la fábrica; el tipo de traviesa; el número del molde; el día, mes y año de su fabricación. los materiales que componen la traviesa. la geometría. El control geométrico consiste en elegir traviesas al azar y comprobar que sus dimensiones son las correctas.

Si todos estos ensayos, que son muy simples de realizar, proporcionan valores correctos, se recibe definitivamente el material para su puesta en obra.

5.2.2. ALMACENAMIENTO Las traviesas se almacenan apilándolas en parques de intemperie, o en obra, si es necesario cuando se trasladan a su lugar de emplazamiento. Las traviesas de hormigón se colocan unas sobre otras de forma que descansen cabeza sobre cabeza. Las traviesas de madera se apilan en zigzag (Figura 3.17) distanciando las pilas unas de otras un mínimo de cuatro metros para dificultar la propagación de incendios.

148


Figura 3.17. Almacenamiento de traviesas de hormigón (izquierda) y de traviesas de madera (derecha) según las normas N.R.V (RENFE)

El apilamiento de las traviesas metálicas es mucho más sencillo, siendo ésta una de las ventajas que se han mencionado con anterioridad.

Figura 3.18. Almacenamiento de traviesas metálicas. Fuente: Voestalpine.

149


5.3. ENSAYOS EN VÍA En muchos casos, una vez puestas en obra las traviesas, se realizan ensayos en la propia vía. Estos ensayos pueden ser:

carga al balasto estabilidad lateral rigidez vertical y lateral sonometría degradación

6. PUESTA EN OBRA Desde la zona de acopios, las traviesas se trasladan a proximidad de su futura ubicación definitiva, al lado de la plataforma. Correctamente sujetas (por un pórtico) se izan, se elevan y se colocan en la posición definitiva.

Figura 3.19. Izado y posicionamiento de las traviesas

La puesta en obra de las traviesas es una operación que requiere precisión. Es importante que éstas queden perfectamente perpendiculares al eje de la vía, en su posición correcta (espaciamiento) y asentadas sobre el balasto de forma regular. La figura siguiente muestra las consecuencias de la colocación de traviesas de forma incorrecta. Se observa que la repartición de tensiones 150


no es homogénea, pues debida a las vibraciones del material móvil, el balasto se acumula en el centro o en los extremos flexionándola.

Figura 3.20. Consecuencias de una incorrecta colocación de traviesas

7. REGENERACIÓN DE TRAVIESAS La renovación y regeneración de traviesas, es una operación que se realiza normalmente en traviesas de madera y traviesas metálicas, en traviesas de hormigón tiene menos sentido.

7.1. REGENERACIÓN DE TRAVIESAS DE MADERA Podemos clasificar los procesos de regeneración de traviesas en dos tipos: aquellos que se realizan en la vía y los que no. La regeneración de traviesas de madera en vía, se suele denominar conservación. Se realizan trabajos como: saneado de orificios ensanchados con tacos rellenos de material sintético y fresado e impregnación de las superficies de apoyo del carril. La regeneración que no se realiza en la vía, se le denomina renovación. Consiste en sustituir las traviesas deterioradas, pero aprovechables, por otras nuevas (en la actualidad se sustituyen por traviesas de hormigón). Las traviesas retiradas, se someten a un proceso de regeneración mediante clavado de estaquillas de madera en los huecos de la clavazón una vez limpios, zunchado, recajeo y nuevo taladrado que permite volver a utilizarlas ventajosamente en vías secundarias donde alcanzan una vida útil similar. 151


7.2. REGENERACIÓN DE TRAVIESAS METÁLICAS La regeneración de traviesas de acero consiste básicamente en darles la forma que han perdido. Bajo los carriles, se suele producir una deformación, un hundimiento del acero, gracias a maquinaria pesada, como las prensas, las traviesas de acero pueden recuperar su forma en U invertida. En la actualidad, no es una práctica común la regeneración de traviesas metálicas, es mucho más frecuente su sustitución.

Figura 3.21. Regeneración de traviesas metálicas Fuente: León Rodríguez, C.E.

152


BIBLIOGRAFÍA

Fundación de los Ferrocarriles Españoles, Vía Libre.

León Rodríguez, C.E. “Apuntes Transporte Ferroviario”, Facultad de Ingeniería, Universidad de la República, Uruguay. 2010.

Lichtberger, B., “Manual de vía”. Eurail press, 2007.



153

CAPÍTULO 4 EL BALASTO RICARDO INSA FRANCO, CARLA GARCÍA ROMÁN

Capítulo 4. El balasto

ÍNDICE DEL CAPÍTULO 1. Introducción ......................................................................................159 2. Definición y conceptos generales .....................................................160 2.1. Definición ..................................................................................160 2.2. Procedencia del balasto............................................................161 2.3. Análisis de la distribución de tensiones a través del balasto ....162 2.3.1. Métodos antiguos de reparto de tensiones ...................... 162 2.3.2. Métodos modernos de reparto de tensiones .................... 164 3. Funciones del balasto .......................................................................165 4. Características generales .................................................................168 4.1. Tipos de rocas de origen ..........................................................168 4.1.1. Clasificación geológica..................................................... 168 4.1.2. Clasificación geomecánica ............................................... 169 4.1.3. Clasificación petrográfica ................................................. 173 4.2. Forma del balasto .....................................................................175 4.3. Dimensión de las piedras..........................................................177 4.4. Características mecánicas ........................................................178 5. La contaminación del balasto ...........................................................180 6. Control de calidad del balasto ..........................................................182 6.1. Muestreo ...................................................................................183 6.2. Ensayos identificativos y de composición .................................184 6.2.1. Ensayo petrográfico ......................................................... 184 6.2.2. Ensayo de difracción de rayos X ...................................... 185 6.2.3. Sonnenbrand ................................................................... 185 6.3. Ensayos para determinar los requisitos geométricos................185 6.3.1. Tamaño del balasto.......................................................... 186 6.3.2. Granulometría del balasto ................................................ 186 6.3.3. Determinación de la limpieza de la piedra ....................... 188

157


6.3.4. Forma de las partículas .................................................... 189 6.3.5. Longitud............................................................................ 191 6.4. Ensayos para determinar las propiedades físicas .................... 192 6.4.1. Resistencia a la fragmentación ........................................ 192 6.4.2. Resistencia al desgaste ................................................... 196 6.4.3. Durabilidad ....................................................................... 199 6.5. Componentes perjudiciales ...................................................... 201 6.5.1. Metales y plásticos ........................................................... 201 6.5.2. Sólidos orgánicos y expansivos ....................................... 201 7. Diseño de la banqueta de balasto ................................................... 201 7.1. Datos previos. Clasificación de la línea .................................... 202 7.2. Elección del material ................................................................ 206 7.2.1. Tipo petrográfico .............................................................. 206 7.2.2. Resistencia ....................................................................... 206 7.2.3. Tamaño del balasto .......................................................... 207 7.3. Dimensionamiento de la banqueta ........................................... 207 7.3.1. Espesor de balasto bajo traviesa (e) ................................ 207 7.3.2. Anchura del hombro ......................................................... 209 7.3.3. Ángulo de derrame ........................................................... 209 8. Puesta en obra del balasto .............................................................. 212 8.1. El origen del material. Las canteras ......................................... 212 8.2. Control de recepción ................................................................ 217 8.3. Puesta en obra ......................................................................... 217 8.3.1. Descarga del balasto ........................................................ 217 8.3.2. Colocación del balasto ..................................................... 218 9. Desgaste del balasto ....................................................................... 219 9.1. Por redondeo de las partículas ................................................ 220 9.2. Por contaminación por finos ..................................................... 221 10. Regeneración y reutilización del balasto ........................................ 221 Bibliografía ........................................................................................... 222 158


1. INTRODUCCIÓN El balasto es un árido formado por piedra o roca machacada y cribada. Es el elemento constituyente de las banquetas de los ferrocarriles, transmite las cargas desde las traviesas a la plataforma, pero además tiene distintas funciones tal y como se explica en el apartado 3. El comportamiento del balasto depende de la combinación de distintos factores, que describiremos de forma individual en el apartado 4. Es importante conocerlos para luego analizar el comportamiento del conjunto de partículas constituyentes de la banqueta y los factores que influyen en sus características funcionales, como las causas de contaminación del balasto (apartado 5). Para garantizar la funcionalidad del balasto es necesario caracterizar una serie de propiedades que definan la calidad del producto. Con ese fin las distintas administraciones ferroviarias establecen sus planes en función de los materiales de los que se puede disponer y de los ensayos fijados. En el apartado 6 se explican los ensayos que se realizan actualmente según las normas europeas. En el apartado 7, se proponen unos criterios básicos para el dimensionamiento de la banqueta de balasto. Cabe resaltar que las características mecánicas del balasto son consecuencia de la combinación de las propiedades físicas propias del material, como son el tamaño, dureza, forma, angulosidad, textura superficial y resistencia. Y, por otra parte, de su estado en obra, entendiendo por características “in situ” la densidad de compactación entre otros factores. En el apartado 8 se proporcionan indicaciones necesarias en obra (elección del suministro, control de calidad y procedimientos de construcción). Por último, en los apartados 9 y 10 se dan unas nociones básicas útiles en la fase de mantenimiento como son la identificación del desgaste del balasto y su regeneración.

159


2. DEFINICIÓN Y CONCEPTOS GENERALES 2.1. DEFINICIÓN En los primeros tiempos del ferrocarril la estructura de la vía estaba formada por dados de piedra sobre los cuales apoyaban directamente los carriles, sin disponer ningún elemento de transición entre los dados y la plataforma. Más adelante, para mantener con exactitud la separación entre los carriles a lo largo de toda la línea, nacieron las traviesas como tales. De ese modo, las traviesas unían los carriles manteniendo el ancho de vía pero, al estar colocadas directamente sobre la plataforma, se hundían en ella debido a que las cargas transmitidas superaban la capacidad portante de dicha plataforma. Este efecto se acentuaba más en terrenos arcillosos o de dudosa consistencia y se manifestaba con mayor intensidad con el paso de cargas cada vez mayores.

Carga vertical Carril Travies a Balas to

Compresión Tracc ión triaxial triaxial Figura 4.1. Tensiones en el balasto

La experiencia mostró la conveniencia de introducir un elemento granular bajo la traviesa con objeto de repartir las cargas sobre una mayor superficie de una manera uniforme, de tal manera que las presiones que llegaran a la plataforma resultaran admisibles. Dicho 9 elemento se conoce como balasto , que podemos definir como el lecho 9

La palabra balasto probablemente tiene su origen en la palabra inglesa “ballast” con el sentido de lastre utilizado para estabilizar los barcos. También se suele utilizar en aplicaciones dentro del campo eléctrico.

160


de piedra partida que se coloca sobre la plataforma y que cumple con unos determinados parámetros en relación con su origen geológico, forma, dureza, y resistencia a la abrasión.

2.2. PROCEDENCIA DEL BALASTO El balasto es un material que se utiliza en grandes cantidades, por lo cual, además de una serie de características técnicas que sirven para definir la calidad del mismo, como son la dureza, la forma cúbica y con aristas, la graduación de tamaños, la limpieza y otras que se verán más adelante, deberá cumplir unas condiciones económicas básicas que, en general, no pueden desligarse de las primeras, constituyendo todas ellas un conjunto de condiciones que obligan a una elección de compromiso. Como ejemplo, los datos del balasto adquirido en España en 2007 a través de los distintos organismos relacionados con las obras públicas se recogen en la tabla adjunta. Tabla 4.1. Adquisiciones de balasto en 2007 por parte de los distintos organismos existentes en España

ORGANISMO ADIF RENFE FEVE DPTOP-GC FGC DTOP-GV ET / FV COPUT-GV FGV Total

Metros cúbicos 615.700 600.000 32.000 31.000 37.000 31.000 25.000 30.000 22.000 1.423.000

Importe 12.021.543 € 9.016.157 € 66.118 € 60.108 € 72.129 € 60.108 € 48.086 € 57.102 € 42.075 € 21.443.427 €

Los parámetros de calidad que se exigen al balasto obligan a proveerse de materiales de zonas que pueden estar a grandes distancias de los puntos de utilización, lo que da lugar a multiplicar por dos o más el precio del balasto en cantera. El coste total es la suma del material en cantera más el transporte a pie de obra, no obstante, aunque ese gasto 161


inicial resulte alto, se debe considerar la influencia que la calidad tiene en los posteriores gastos de conservación, por tanto, un desembolso inicial mayor no quiere decir que a la larga el material sea más caro, si consideramos el costo de mantenimiento, la duración del material y su posible valor residual. Según datos de RENFE, el coste de transporte del balasto (a finales de los años 90) resultó ser el 38,8% del coste total del balasto, lo que nos da idea de la importancia que tiene las condiciones técnicas y la racionalización de las fuentes de suministro en la compra de dicho material. Hasta hace poco tiempo cada administración ferroviaria se limitaba a cumplir con sus normas, formuladas como una solución de compromiso entre las condiciones técnicas y económicas. Actualmente ya se dispone de normas que han sido aceptadas en toda la Comunidad Europea.

2.3. ANÁLISIS DE LA DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES A TRAVÉS DEL BALASTO Como se ha mencionado en repetidas ocasiones, una de las funciones más importantes de la banqueta de balasto es transmitir las tensiones desde la traviesa hasta la plataforma. Existen muchos métodos que cuantifican el reparto de tensiones: los métodos antiguos y los modernos.

2.3.1. M ÉTODOS ANTIGUOS DE REPARTO DE TENSIONES Los métodos antiguos son aquellos que situamos en el periodo comprendido entre 1867 y 1940. En aquella época, el

dimensionamiento del sistema balasto-plataforma se planteaba con arreglo a los tres aspectos siguientes:

162

Conocimiento de la tensión existente en la superficie de la capa de balasto. Ley de distribución de presiones por el balasto desde su superficie hasta la correspondiente a la plataforma. Tensión admisible por la infraestructura de la vía.


En este sentido, a principios del siglo XX, podemos señalar los intentos de Byers y de Talbot. El primero trataba de explicar la transmisión de presiones por la capa de balasto mediante la asimilación de las partículas de este elemento a cubos, y el segundo a través de esferas. Como consecuencia de ambos intentos aparecieron los denominados criterios prácticos europeo y americano, cuya formulación básica consistía en admitir una distribución de presiones uniforme a cualquier profundidad del balasto y un cierto ángulo de reparto de éstas por el balasto.

Figura 4.2. Criterio de Byers (arriba) y criterios prácticos (abajo)

En cualquier caso, y dado que no era posible conocer en forma explícita la tensión admisible de una plataforma bajo esfuerzos repetidos, debido al desconocimiento de la época en materia geotécnica, la determinación del espesor de balasto se efectuaba de manera empírica o semiempírica. 163


Por ejemplo, en los Estados Unidos el espesor de balasto se calculaba incrementando en 10 cm la separación entre ejes traviesas en Alemania se incrementaba en 20 cm el valor de la separación de las caras más próximas entre dos traviesas consecutivas.

2.3.2. M ÉTODOS MODERNOS DE REPARTO DE TENSIONES Se consideran métodos modernos aquellos que se desarrollaron a partir de la década de los años 40, donde la investigación se orienta hacia un mejor conocimiento de la ley de distribución de presiones por el balasto, así como de la capacidad portante de la infraestructura, dado que la fórmula de Zimmermann para evaluar la tensión en la superficie del balasto proporcionaba resultados acordes con la experiencia. En relación con la primera cuestión señalamos la contribución de Clarke (1957) mediante la consideración de una distribución espacial de tensiones por el balasto, así como la de Schramm, de la misma época, incorporando la influencia de la longitud de la traviesa.

Gráfica 4.1. Ábaco de Schramm sobre distribución de presiones por la capa de balasto

Aunque no es posible utilizar, para el cálculo de tensiones en el balasto los resultados de la teoría del semiespacio indefinido de Boussinesq, sí 164


se pueden aplicar métodos semiempíricos que utilizan con fundamento teórico los resultados del semiespacio indefinido y, por otro lado, se introduce la influencia de la separación entre traviesas en el estado tensional de la plataforma como hacen Hana, el profesor Eisenmann y Joromov, y el ORE. Además cabe mencionar criterios empíricos como el de Delft y el de BR. La gráfica siguiente muestra el resumen de criterios expuesto, queda reflejada una gran variabilidad.

Gráfica 4.2. Resumen de criterios

3. FUNCIONES DEL BALASTO Ese balasto recibe a las traviesas, tanto para servir de apoyo como para arroparlas, envolviéndolas en cinco de sus seis caras. En la siguiente ilustración se puede observar una fase de montaje de la vía donde se ha situado el emparrillado sobre un lecho de balasto. A continuación se debe seguir colocando balasto sobre la vía para que las traviesas queden “empotradas” en él. 165


Figura 4.3. Lecho de balasto bajo las traviesas

Esto es así porque el balasto, además del reparto de cargas bajo traviesa, realiza otras funciones que se pueden resumir en: 1.

Transmitir y repartir las cargas que se producen bajo la traviesa para que cuando lleguen a la plataforma no superen las tensiones admisibles.

Presión vertical kN / m 2 0

50

100

Espesor bajo traviesa 200 ( mm.) 400 600 800

Variación de la presión con la profundidad

Gráfica 4.3. Tensiones que llegan a la plataforma en función del espesor de balasto 166


2.

Proporcionar empotramiento a las traviesas. El balasto arropa a las traviesas rodeando todas sus caras excepto la superior, de tal forma que se coacciona el movimiento longitudinal que puede producir las variaciones de temperatura, las aceleraciones, el arranque y el frenado, y el movimiento transversal que produce el efecto lazo y las fuerzas centrífugas no compensadas.

3.

Proporcionar elasticidad y amortiguamiento. Con el lecho de balasto se hace más cómoda la rodadura y se aminora el efecto de impacto al absorberse parte de los efectos dinámicos de los vehículos.

4.

Afinar la rasante de la vía. El orden de la precisión de acabado de la plataforma donde se va a asentar la vía viene medido en centímetros mientras que la precisión final de la posición del carril se aprecia en milímetros. Esta precisión se consigue actuando con maquinaria específica sobre el balasto.

5.

Peralte de vía. La plataforma ferroviaria no debe estar peraltada, para evitar deslizamiento del balasto y emparrillado sobre la misma. Sobre la plataforma se debe disponer una adecuada banqueta de balasto, que es la que se encarga de materializar el peralte de la vía.

6.

Si la plataforma dispone de una adecuada inclinación respecto a la horizontal, se facilita la evacuación del agua que se filtra a través del balasto con lo que se facilita el drenaje rápido, evitando la putrefacción de las maderas y la oxidación de metales.

7.

Una adecuada granulometría del balasto facilita la evaporación del agua de la plataforma.

8.

Con el paso de las cargas la geometría de la vía se deteriora. Actuando sobre el balasto con maquinaria especializada se puede recuperar la capacidad geométrica al rectificar los defectos de alineación y nivelación.

9.

Se impide el crecimiento de plantas y arbustos. 167


10. Se reduce la susceptibilidad de las capas inferiores ante las heladas. 11. Amortiguar el ruido transmitido a través del aire. Todas estas funciones las puede realizar el balasto dependiendo de la combinación de las propiedades físicas de las partículas y del estado como conjunto, es decir, de lo que se conoce como banqueta, con su lecho, balasto inferior, balasto superior y hombreras.

4. CARACTERÍSTICAS GENERALES Con objeto de seleccionar los macizos rocosos que van a servir para la fabricación del balasto es necesario caracterizar la calidad de la roca, por ello, primeramente se deben conocer las características generales que aseguren la idoneidad del material y que garanticen la funcionalidad del mismo. Se entienden como características generales el tipo de roca, la forma, la dimensión y las propiedades mecánicas.

4.1. TIPOS DE ROCAS DE ORIGEN 4.1.1. CLASIFICACIÓN GEOLÓGICA Si se clasifican las rocas desde un punto de vista geológico se tiene según su origen rocas ígneas, que ocupan el 98 % de la corteza terrestre y que están formadas por el enfriamiento de un magma. Estas rocas son susceptibles de clasificación en función de la composición mineralógica y a su modo de presentación (Attewell y Farmer, 1976). Las rocas sedimentarias, formadas a partir de la meteorización de roca preexistente y posterior transporte, deposición y diagénesis de los materiales resultantes. Éstas se pueden clasificar en rocas de sedimentos mecánicos y rocas de precipitados químicos (Krynine 1948). Finalmente las rocas metamórficas, que están formadas por la alteración de una masa rocosa, mediando una doble acción de presión y temperatura y que son susceptibles de clasificación según su textura. 168


4.1.2. CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA Desde el punto de vista geomecánico resulta interesante atender a la clasificación que propone Goodman (1989) porque la inclusión en un determinado grupo implica una gradación de calidad que aporta información para decidir sobre su utilidad. Según Goodman las rocas se pueden clasificar en: rocas de textura cristalina, clásticas, de grano muy fino y orgánicas. El primer grupo comprende casi todas las rocas ígneas y las sedimentarias de tipo químico. Se dividen en seis subgrupos que van desde el IA al IF: Tabla 4.2. Clasificación geomecánica. Grupo de rocas cristalinas SUBGRUPO I.A. Carbonatos y sales solubles EJEMPLOS: caliza, dolomía, mármol, sal, yeso COMPORTAMIENTO A.

Pueden ser muy resistentes y con rotura frágil (caliza, dolomía, mármol) o poco resistentes con rotura plástica (yeso)

B.

Con presiones moderadas de confinamiento resultan plásticas

C.

Son solubles en agua con posibles problemas de karstificación

SUBGRUPO I.B. Rocas con mica y otros minerales planos en bandas continuas EJEMPLOS: micasquistos, esquistos cloríticos, esquistos grafítico COMPORTAMIENTO A.

La mica, clorita y grafito reducen la resistencia, dando deslizamiento fácil a lo largo de los planos de esquistosidad

B.

Los micasquistos y en general toda clase de rocas son muy anisótropas, dando resistencias bajas a lo largo de las esquistosidades

SUBGRUPO I.C. Rocas con minerales silicatados en bandas, sin hojas continuas de mica EJEMPLOS: gneis COMPORTAMIENTO A.

Rotura frágil. Gran anisotropía

169


Tabla 4.2. Clasificación geomecánica. Grupo de rocas cristalinas (cont.) SUBGRUPO I.D. Rocas con minerales silicatados de grano uniforme distribuidos aleatoriamente EJEMPLOS: granito, diorita, gabro, sienita COMPORTAMIENTO a)

Los cristales componentes tienen un área de contacto grande. Los huecos son mínimos y los enlaces mecánicos son grandes

B.

Son materiales homogéneos, competentes e isotrópicos

C.

Si no están alterados son muy resistentes

D.

Si no están fisurados las deformaciones son elásticas. Si lo están, pueden tener un comportamiento plástico

E.

El comportamiento depende del grado de alteración, evaluable por su porosidad

SUBGRUPO I.E. Rocas con minerales silicatados con granos distribuidos en pasta fina EJEMPLOS: algunos basaltos, fonolitas, riolitas y otras rocas volcánicas COMPORTAMIENTO A.

Rocas con muchos poros, lo que reduce su buen comportamiento. Cuando no los tienen su comportamiento es análogo al del grupo ID

SUBGRUPO I.F. Rocas cizalladas EJEMPLOS: serpentinas y milonitas COMPORTAMIENTO A.

Rocas malas desde el punto de vista geomecánico Tienen superficies de rotura preformadas, ocultas, que aparecen cuando se las tensiona

En el segundo grupo se integran las rocas de textura clástica, las cuales se caracterizan por estar formadas por granos cementados y sus propiedades dependen del tipo de cemento:

170


Tabla 4.3. Clasificación geomecánica. Grupo de rocas cristalinas SUBGRUPO II.A. Rocas con cemento estable EJEMPLOS: areniscas con cemento silíceo y areniscas limoníticas COMPORTAMIENTO A.

Rocas excelentes, muy estables, resistentes, elásticas y con rotura frágil

B.

Con presiones moderadas de confinamiento resultan plásticas

SUBGRUPO II.B. Rocas con cemento ligeramente soluble EJEMPLOS: areniscas y conglomerados con cemento calcáreo COMPORTAMIENTO A.

Pueden ser muy estables, resistentes y elásticas con rotura frágil. En el lado extremo de rocas poco estables están las arcosas

B.

La toma de muestras puede ser muy difícil en el caso de cementación ligera

SUBGRUPO II.C. Rocas con cemento muy soluble EJEMPLOS: Areniscas y conglomerados cementados con yeso COMPORTAMIENTO A.

Se reducen a un sedimento cuando se humedecen

B.

El colapso, tanto mecánico como hidráulico, es un problema grave que se puede presentar si son macroporosas

C.

La toma de muestras es muy difícil

SUBGRUPO II.D. Rocas con cemento débil o incompletamente cementadas EJEMPLOS: areniscas friables, tobas, aglomerados volcánicos COMPORTAMIENTO: A.

Los granos se pueden soltar con la mano

B.

El colapso mecánico puede ser un problema grave si son macroporosas

C.

Si no están alterados son muy resistentes

D.

Problemas con la toma de muestras

SUBGRUPO II.E. Rocas sin cementar EJEMPLOS: areniscas con enlaces de arcilla COMPORTAMIENTO A.

Tienen todos los problemas de los grupos IIC y IID, aumentados

171


En el tercer grupo se incluyen las rocas con granos muy finos teniéndose el siguiente cuadro: Tabla 4.4. Clasificación geomecánica. Grupo de rocas clásticas SUBGRUPO III.A. Rocas duras isótropas EJEMPLOS: corneanas y algunos basaltos. COMPORTAMIENTO A. Bueno, como el de las rocas del grupo IE. SUBGRUPO III.B. Pizarras cementadas EJEMPLOS: areniscas y conglomerados con cemento calcáreo COMPORTAMIENTO A. Rocas duras y resistentes. Tienen una gran anisotropía mecánica SUBGRUPO III.C. Rocas duras microscópicamente anisótropas EJEMPLOS: Filitas y esquistos COMPORTAMIENTO A. Son rocas muy alterables B. Tienen gran anisotropía mecánica SUBGRUPO III.D. Rocas blandas tránsito a suelos EJEMPLOS: pizarras margosas, margas, lutitas, creta, etc. Son muy abundantes en España COMPORTAMIENTO A. Dan, en general, problemas de algún tipo B. Posibles cambios de volumen con el contenido de humedad C. Propiedades mecánicas variables con el contenido de humedad D. Gran alterabilidad, a veces muy rápida E. Muy afectadas por los ciclos de humidificación

Finalmente el cuarto grupo es el de las rocas orgánicas: Tabla 4.5. Clasificación geomecánica. Grupo de rocas clásticas SUBGRUPO IV.A. Carbón blando SUBGRUPO IV.B. Carbón duro SUBGRUPO IV.C. Pizarras petrolíferas y bituminosas SUBGRUPO IV.D. Arenas bituminosas 172


4.1.3. CLASIFICACIÓN PETROGRÁFICA Si atendemos a una clasificación según su naturaleza petrográfica las rocas pueden considerarse agrupadas en calcáreas y silíceas. Las rocas calcáreas suelen ser más blandas y menos resistentes al desgaste. Debido a ello, al menos en parte, se trituran con tendencia a aglomerarse entre sí en presencia de agua con lo que se produce una alteración de las características elásticas que debe tener la banqueta y una dificultad mayor en la realización de los trabajos de mantenimiento de la vía, fundamentalmente en lo que se refiere a la recuperación geométrica. Como ejemplo basta indicar que mientras en una piedra caliza las deformaciones plásticas pueden ser del orden de 0,05%, en las silíceas nos encontramos con valores del orden de la mitad y con costos de mantenimiento de un 15% a un 20% menores. El origen de la piedra para balasto debe ser silíceo. Son preferibles las de origen ígneo, ya sean plutónicas o volcánicas, aunque se admiten las de origen metamórfico, como las anfibolitas, corneanas o cuarcitas. No se admiten las de naturaleza caliza ni dolomítica. Por tanto, el balasto se deberá fabricar a partir de roca de cantera, la cual se someterá a un machaqueo, cribado y clasificación, independientemente de cualquier otro tratamiento industrial que implique modificaciones térmicas o de otro tipo. El balasto, según la norma actualmente vigente, no debe contener cantos rodados ni mezcla de rocas de diferente naturaleza geológica. Por supuesto, tampoco debe contener fragmentos de madera, materia orgánica, metales, plásticos, rocas alterables, ni materiales tixotrópicos, expansivos, solubles, putrescibles, combustibles ni polucionantes (desechos industriales). Cada tipo de roca tiene una serie de ventajas e inconvenientes y, aunque en general sean admitidas, su comportamiento en la vía resulta muy diferente, tal como se refleja en la tabla siguiente.

173


Tabla 4.6. Tipos de roca de los suministros de balasto para Renfe en 1992. Fuente: Smith, M.R. Índices Tipo de roca

Génesis

Componentes esenciales

% en vol. 1992

Mejores

Peores

ANFIBOLITA

metamórfica

anfíboles

1,8

BASALTO

ígnea efusiva

plagioclasa y piroxeno

3,5

TRAQUITA

ígnea eruptiva

sanidina, biotita y plagioclasa

5,7

PÓRFIDO

ígnea magmática

diorita, cuarzo y granito

11,2

OFITA

filoniana básica

plagioclasa y piroxeno

20,4

MILONITA

metamórfica

cuarzo ,micas y feldespatos

6,0

aciculares y elementos pasantes por el tamiz 16 mm.

CUARCITA

sedimentarias o metamórfica

cuarzo, micas y feldespatos

18,7

limpieza

GRANITO

plutónica

cuarzo, feldespato potásico y mica

23,2

aciculares y elementos pasantes por el tamiz 16 mm.

PERIDOTITA

plutónica

plagioclasa y hornablenda

6,2

Los Ángeles

CORNEANA

metamórfica de contacto

feldespato, mica y grafito

1,3

CALIZA

sedimentaria

calcita y dolomita

2,0

L. Á., aciculares y limpieza limpieza y elementos granulares

retenido entre 25 y 16 mm.

granulometría Los Ángeles

granulometría

Los Ángeles, limpieza y retenido entre 25 y 16 mm. Los Ángeles, limpieza y retenido entre 25 y 16 mm.

Respecto a la utilización de balasto de naturaleza caliza o dolomítica hay que decir que en la administración española quedó proscrito su uso. Dichas rocas tienen una calidad inferior y, aunque por su abundancia han sido ampliamente utilizadas en España durante muchos años, su gran susceptibilidad a la disgregación, tanto por agentes químicos, como por el impacto de las traviesas de hormigón, han sido razones más que suficientes para prohibirlas. 174


Además, se debe tener en cuenta que cada vez es mayor la utilización de traviesas de hormigón que, al ser más rígidas, producen una disgregación mayor del balasto que las de madera. Por otra parte, cuando se batea o desguarnece la vía, se produce mayor cantidad de finos procedentes de la rotura de las piedras cuando se trata de roca caliza.

4.2. FORMA DEL BALASTO La forma del producto final es condición básica para la funcionalidad que se le exige al balasto. Éste debe ser procedente de la extracción, machaqueo y cribado, de bancos sanos de canteras de las rocas antes citadas. Es importante que el balasto sea un producto de machaqueo ya que las fracturas vivas dificultan el resbalamiento entre partículas y, por tanto, se produce menos deformación plástica de la banqueta. La gráfica siguiente muestra el comportamiento del balasto. Se observa que, al final la vía está consolidada, esto es, la mayoría de traviesas están firmemente asentadas en el balasto y, a partir de ese momento, las velocidades de asiento se reducen a la tercera parte.

1430 2860

3700

Número de vibraciones

20.000

0 1 2

Balasto sin rotura de puntas

3 4 5 6

Balasto con rotura de puntas

7 Asiento en mm.

Gráfica 4.4. Asiento de balastos con y sin rotura de aristas 175


Las piedras con formas planas, así como los cantos rodados, tienden a resbalar unas sobre otras y no se consigue el rozamiento necesario entre ellas ni con respecto a las traviesas. En el caso particular de la traviesa de madera, el balasto con aristas vivas se clava en la cara inferior de aquella, consiguiéndose un mayor rozamiento. Pero, además de tener aristas, conviene que la piedra se aproxime a la forma cúbica (cuboide). La arista viva, junto con la forma citada, tiene un efecto de encaje de las piedras, procurando una buena resistencia frente al deslizamiento longitudinal y transversal de las traviesas, sobre todo si éstas son de madera. A partir de la forma cuboide, cualquier dimensión desproporcionada respecto a las otras supone la aparición de las lajas (una dimensión menor que las otras dos) o de los aciculares (una dimensión mayor que las otras dos). Lajas y piedras aciculares resultan inadecuadas porque producen deslizamiento de las piedras y rotura de las mismas que, al final, producen deformación plástica de la banqueta. En el caso de las lajas predomina el efecto de deslizamiento mientras que en el caso de los aciculares es el fenómeno de rotura es el que más colabora en la deformación plástica del conjunto al alterarse la granulometría y acoplarse más densamente con el paso de las cargas. De ahí las limitaciones de estas dimensiones. En el apartado 4.3 se explican los ensayos que se utilizan para el control de la forma de las partículas, siguiendo las normas UNE. También en la regulación española se mantiene el ensayo de espesores mínimos de elementos granulares con el fin de detectar el porcentaje de elementos con espesores demasiado pequeños, los cuales, como se ha indicado anteriormente, tienen tendencia a una rotura más rápida, provocando asientos plásticos en la banqueta de balasto. Asimismo, de esta forma se controlan los elementos que con su rotura contribuyen en mayor medida a la contaminación y pérdida de capacidad drenante del balasto. Los valores concretos aceptados en la normativa se indicarán posteriormente al hacer referencia a los distintos ensayos a considerar.

176


4.3. DIMENSIÓN DE LAS PIEDRAS Respecto a las dimensiones de las piedras para balasto cabe decir que ha habido una larga evolución. En algún momento de la historia del ferrocarril se ha llegado a colocar piedras hasta de 150 mm de arista, pero hoy en día no hay duda de que la dimensión máxima debe ser de 7,5 cm y la mínima alrededor de 2 cm. En la mayoría de las administraciones ferroviarias el balasto está comprendido entre 20 y 50 mm y para otras entre 30 y 60 mm. En España, la norma indica que el balasto debe estar compuesto en su mayor parte por elementos de piedra partida cuyos tamaños estarán comprendidos entre los tamices 31,5 y 50 milímetros. Respecto a los tamaños indicados hay que precisar que no es conveniente aceptar fracciones menores porque, aunque se aumentaría la homogeneidad del asiento y transmisión de cargas de la traviesa, se colmatarían los huecos y el balasto se impermeabilizaría. Como consecuencia, la fracción mínima se limita por:

Evitar la pérdida de la función drenante. Evitar la pérdida de la función evaporante. Evitar el efecto “pumping”, esto es, la surgencia típica de las plataformas arcillosas que, en el caso del balasto, lo lubrica, haciéndole perder la capacidad de rozamiento entre partículas y con respecto a la traviesa.

Por otra parte también se limita la fracción máxima por:

Mala colocación del balasto de mayor tamaño. Hace falta compactar con medios más potentes y los gastos de conservación aumentan. Dificultad para dar una nivelación aproximada en milímetros.

De todos modos, si resulta necesario adoptar una decisión en cuanto a los tamaños, conviene admitir mejor la fracción alta que la baja porque en el primer caso siempre tendremos un balasto sano, pues la fracción fina tiene más superficie de desgaste y está más sometida a la abrasión.

177


Es interesante observar la tabla siguiente donde se recoge la resistencia transversal de una vía para dos tipos de traviesa en función de distintos tamaños y forma de la piedra. Entre paréntesis se han tomado los valores relativos en relación con el balasto de 20 x 60. Tabla 4.7. Relación entre la resistencia transversal de las traviesas y el tamaño de balasto Tipo de traviesa

GRAVA 10 x 30

BALASTO 20 x 60

BALASTO 80 x150

Madera

214 Kg.

(-2,7%)

220 Kg. (0 %)

262 Kg. (19,1 %)

Bibloque

372 Kg. (-12,9%)

427 Kg. (0 %)

522 Kg. (22,2 %)

Como conclusiones se puede ver que es mayor la resistencia transversal con árido machacado y que también ésta es mayor cuanto mayor es el tamaño de la piedra. En la D.B. se han comprobado resistencias hasta de un 40% superiores en balasto de tamaño 25-65 mm frente a tamaños entre 15-35 mm. También se requiere analizar las partículas más finas que pueden estar adheridas al balasto pues resultan una fuente de contaminación del mismo, el cual pierde la capacidad de fricción entre piedras facilitando la inestabilidad de posición de la vía.

4.4. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS En cuanto a las características mecánicas cabe decir que la circulación de los vehículos ferroviarios origina sobre la vía una onda de avance. Esta onda da lugar a la elevación de las traviesas situadas delante del vehículo en el sentido de su marcha. Esto provoca que en su descenso la traviesa golpee el balasto, lo que da lugar a un desgaste progresivo. Este efecto es más acusado en las vías con juntas en los carriles. En la figura siguiente se muestra que la parte del emparrillado que asciende, al descender posteriormente, golpea al balasto.

178


Figura 4.4. Onda de avance que genera la rueda sobre el emparrillado. Fuente: Waters, J.

Por lo dicho se comprende que el balasto debe ser tenaz para no permitir la abrasión de unas piedras contra otras, duro para que no se machaque por efecto del tráfico y no friable para que no se disgregue por efecto de las heladas. La tabla siguiente recoge el tipo de balasto según su resistencia a compresión simple. Tabla 4.8. Clasificación de las rocas en base a la resistencia a compresión simple según Deere y Miller (1966).

CLASE

DESCRIPCIÓN

RESISTENCIA A COMPRESIÓN 2 SIMPLE (kg/cm )

A

Resistencia muy alta

> 2.250

B

Resistencia alta

1.120 - 2.250

C

Resistencia media

560 - 1.120

D

Resistencia baja

280 - 560

E

Resistencia muy baja

< 280

179


5. LA CONTAMINACIÓN DEL BALASTO La forma de evaluar las características mecánicas viene relacionada directamente con la contaminación del balasto. A pesar de la importancia que tienen las características propias de las piedras para balasto, su comportamiento como conjunto está muy condicionado por la contaminación, que hace que las piedras patinen entre sí, pudiendo llegar a desestabilizar un emparrillado. Los resultados de las pruebas realizadas en la Universidad Técnica de Zurich, muestran que las propiedades mecánicas del balasto se alteran de forma importante cuando los niveles de contaminación del mismo se sitúan entre el 50% y 70% o mayores. Según importantes estudios, las causas de la contaminación del balasto pueden agruparse en cinco tipos:

rotura del balasto infiltración desde la superficie desgaste de la traviesa infiltración desde la capa inferior (subbalasto) infiltración desde la plataforma de la vía

Estos mecanismos representan un conjunto de problemas que suelen aparecer con mucha frecuencia en los ferrocarriles.

180


Infiltración de la superficie

Desgaste de la traviesa Infiltración del subbalasto

Rotura del balasto

Subbalasto Infiltración de la plataforma

Plataforma

Figura 4.5. Causas de la contaminación del balasto. Fuente: Zarembski 1991.

En el caso de la rotura del balasto, los factores más importantes son cantidad de tráfico sobre la vía y las condiciones climáticas (como congelación y el deshielo). Otros factores que influyen son el bateo, manipulación del balasto (debido al transporte y colocación) y migración de partículas.

la la la la

En el caso de infiltración desde la superficie, los materiales que caen desde los vagones o que resultan transportados por el viento y la lluvia, son una causa potencial de contaminación. La degradación y desgaste de las traviesas es el tercer mecanismo que produce materiales que ensucian el balasto. Todos los tipos anteriores pueden aparecer en cualquier vía, aunque se mantenga correctamente y tenga un buen drenaje y una plataforma estable. Los mecanismos restantes aparecen asociados a una contaminación que se origina desde debajo de la capa de balasto, desde el subbalasto o desde los propios materiales de la plataforma de la vía. Estos mecanismos parecen tener su origen en un drenaje inadecuado 181


(presencia de agua) o a una falta de un filtro separador para aislar de forma adecuada los materiales internos del balasto. Como se muestra en la gráfica, la causa más importante de contaminación del balasto es la rotura del mismo.

3%

1%

7% 13% BALASTO SUBBALASTO SUPERFICIE PLATAFORMA TRAVIESA BALASTO 76% Gráfica 4.5. Proporción de los orígenes de contaminación del balasto

Con todo lo expuesto, deduce que conviene utilizar un balasto de alta calidad y resistente a la degradación como forma eficaz de evitar su contaminación, sobre todo en situaciones de gran volumen de tráfico.

6. CONTROL DE CALIDAD DEL BALASTO Como se ha explicado, para seleccionar los macizos rocosos que van a servir para la fabricación del balasto es necesario caracterizar las rocas para así asegurar la idoneidad del material y garantizar la funcionalidad del mismo. Esta caracterización requiere la toma de muestras directamente de los frentes o del material volado antes de cualquier manipulación. Sobre este material se realizan los ensayos necesarios que permitirán homologar la cantera.

182


Una vez se tiene una cantera en funcionamiento, es necesario que exista un continuo control de calidad, que se lleva a cabo con los llamados ensayos sobre la producción. La Norma Europea UNE-EN 13450:2002 especifica las propiedades de del balasto (obtenido bien por tratamiento de materiales naturales o artificiales, o bien reciclados triturados) utilizado en la construcción de vías de ferrocarril. Los ensayos que permiten la caracterización geotécnica del balasto, de acuerdo con esta norma europea, pueden agruparse en tres categorías aquellos que valoran los:

requisitos geométricos, requisitos físicos, y los componentes nocivos

6.1. MUESTREO La información que se puede inferir de una muestra de población, depende de la forma de selección de dicha muestra. En definitiva la clave de la cuestión es la representatividad. Una buena muestra es aquella que puede representar las características esenciales de la población de la cual se obtuvo. Resulta pues claro que el muestreo cuidadoso es la condición clave para que del análisis del control de calidad de un árido se puedan obtener resultados fiables. En el caso de áridos de machaqueo la toma de muestras puede hacerse de las formas alternativas siguientes, relacionadas según el orden de preferencia: a)

b) c) d)

de la cinta transportadora (entre el último equipo de clasificación y el acopio) se tomarán 4 muestras a intervalos de al menos 5 minutos, tomándose la totalidad del árido, incluso detritus. del acopio de cantera o cargadero, se tomarán 4 muestras. de camión de carga, al menos 2 muestras por camión. de la composición de tolvas se tomarán al menos 4 muestras. Es importante considerar en este caso una serie de correcciones ya que el transporte, los acopios intermedios o la 183


misma forma de descarga del balasto puede llevar consigo una segregación de finos. En general, la cantidad necesaria para una muestra será de unos 50 kilogramos, según se sugiere en distintas normativas. En España la norma ferroviaria señala que la muestra final a ensayar debe tener más de 40 kg, y debe conseguirse mediante cuarteo. El muestreo se debe realizar de conformidad con la Norma EN 932-1.

6.2. ENSAYOS IDENTIFICATIVOS Y DE COMPOSICIÓN Dentro de este apartado consideraremos dos tipos de ensayos: petrográficos y de difracción.

6.2.1. E NSAYO PETROGRÁFICO Los estudios petrográficos sirven para identificar y catalogar las rocas. Esto permite obtener información de las características físicas de los materiales, al poderse establecer una clasificación general de la roca, una descripción mineralógica básica y una indicación sobre la presencia de partículas de baja densidad o susceptibles de elevada absorción, que pudiera darnos información sobre la capacidad de resistencia ante los ciclos de hielo-deshielo. El examen petrográfico del árido se realiza según las indicaciones recogidas en la UNE-EN 932-3:1997 partir de cada una de las muestras de 40 kg, se seleccionan 10 piedras sobre la base de diferentes colores y estructuras, al menos observadas exteriormente. Después de limpiarlas y estudiar las dimensiones exactas de dichas piedras, se prepara una pequeña lámina de 0,03 mm de espesor en cada una de ellas. Previa descripción macroscópica de la piedra, se pasa a analizar al microscopio la composición mineralógica (tipo, porcentaje en volumen y grosor de los granos). Las caras, la estructura cristalina, los poros, la existencia de posibles fisuras y minerales secundarios son objeto de una descripción más detallada. Al mismo tiempo sobre las piedras seleccionadas se efectúa una prueba de absorción de azul de metilo para determinar la existencia de materiales limosos.

184


A partir de todo ello se establece para cada lámina y en la medida de lo posible, una relación entre las características físicas que hace falta considerar, como son la dureza, la resistencia al desgaste y la capacidad de absorción de agua.

6.2.2. E NSAYO DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X El ensayo se realiza de acuerdo con las características propias del mismo, debiendo contemplar una identificación de las fases mineralógicas existentes, así como una determinación semicuantitativa de las mismas. Normalmente el ensayo no tiene carácter de aceptación o rechazo, utilizándose para catalogar el balasto desde el punto de vista mineralógico. Este ensayo se considera alternativo o complementario del petrográfico y sólo se realiza cuando es demandado explícitamente.

6.2.3. SONNENBRAND En algunos basaltos, por influencia de las condiciones atmosféricas, se produce el fenómeno sonnenbrand que consiste en la aparición de puntos de color gris y blanco. Radialmente, a partir de dichos puntos, se producen microfracturas que acaban interconectándolos. Como resultado del proceso la roca acaba desmoronándose en pequeñas partículas. En caso de detectarse este fenómeno en alguna cantera, se deben realizar ensayos siguiendo la norma UNE-EN 1367-3:2001, aunque los mismos no tienen carácter de aceptación o rechazo. La caracterización de este problema se limita a ciertas rocas. Este proceso puede producirse durante el periodo de extracción de la roca o extenderse al tiempo de vida útil del material ya en vía.

6.3. ENSAYOS PARA DETERMINAR LOS REQUISITOS GEOMÉTRICOS Los ensayos para determinar los requisitos geométricos (tamaño y forma) incluyen también aquellos en los que se determina la limpieza de la piedra (contenido de finos).

185


Además de las normas UNE que se citan a continuación, el procedimiento de ensayo de espesores mínimos se regula en la norma NAV 3.4.0.2. “Balasto. Control de calidad. Toma de muestras y ensayos”.

6.3.1. T AMAÑO DEL BALASTO El tamaño viene definido por el par de tamaños de tamices en mm, designándose el tamaño menor como d y el tamiz límite superior como D, entre los cuales se encuentra la mayor parte de distribución de tamaños de las piedras. Se puede decir que el balasto estará formado por elementos en su mayor parte entre 31,5 mm y 50 mm o 63 mm.

6.3.2. GRANULOMETRÍA DEL BALASTO Obtener una curva granulométrica bien graduada garantiza un mayor número de contactos entre las piedras lo que como consecuencia lleva a un menor número de roturas por dichos contactos y, como luego veremos, un inferior asiento de la superestructura. 10

En España, el G.I.F , en su pliego dice que la curva granulométrica se determinará mediante tamices de chapa con agujeros cuadrados, de acuerdo con la norma UNE-EN 933-1 y 933-2, pesándose las fracciones retenidas de cada tamiz con una balanza con sensibilidad mayor de un gramo. En ese sentido hay que tener en cuenta la influencia de la forma de los componentes a cribar. Así se tiene que los fragmentos alargados de cualquier tamaño se aproximan en tamaño a los fragmentos lajosos del siguiente tamaño más grueso. Así, en un árido con una proporción elevada de granos alargados, el tamaño de partícula será más grueso que uno que tenga abundancia de lajas. Finalmente conviene llamar la atención sobre la dificultad de encontrar granulometrías constantes de áridos a lo largo de una obra por lo que se suele definir granulometrías entre dos líneas próximas entre sí, que definen unas bandas conocidas como husos.

10

Gestor de Infraestructras Ferroviarias

186


Gráfica 4.6. Huso granulométrico del balasto categoría A de la norma europea Fuente: Norma ADIF PAV 3.4.0-0. Tabla 4.9. Huso granulométrico del balasto Fuente: Norma UNE-EN 13450:2002.

Categoría Tamaño en mm

Balasto 31,5 mm a 50 mm A

B

C

Balasto 31,5 mm a 63 mm D

E

F

Porcentaje de la masa que pasa 80

100

100

100

100

100

100

63

100

97-100

95-100

97-99

95-99

93-99

50

70-99

70-99

70-99

65-99

55-99

45-70

40

30-65

30-70

25-75

30-65

25-75

15-40

32

1-25

1-25

1-25

1-25

1-25

0-7

22,4

0-3

0-3

0-3

0-3

0-3

0-7

31,5-50

50

50

50

50

-

-

31,5-63

-

-

-

-

50

85

NOTA 1 La especificación de pasar por el tamiz de 22,4 mm se aplica al balasto cuyas muestras se hubieran tomado en el lugar de producción. En el caso de recepción de lotes situados en obra o acopio intermedio, se tomará 0-5. NOTA 2 En algunas circunstancias, se podrá emplear como alternativa un tamiz de 25 mm en lugar del tamiz de 22,4 mm, aplicándose una tolerancia de 0 a 5 (0 a 7 para categoría F).

187


6.3.3. DETERMINACIÓN DE LA LIMPIEZA DE LA PIEDRA Como se ha dicho con anterioridad, la suciedad actúa de lubricante provocando un deslizamiento de los elementos del balasto entre sí y con respecto a las traviesas, produciendo deformaciones plásticas de la banqueta. Por ello, es importante mantener dentro de unos valores determinados la cantidad de partículas finas y el polvo procedente de su machaqueo o de elementos granulares del suelo.

P ARTÍCULAS FINAS El contenido de partículas finas, se determina por el peso de material que pasa por el tamiz de cincuenta centésimas (0,5) de milímetro, de acuerdo con la UNE-EN 933-1:1998. El valor obtenido del ensayo, se debe declarar de conformidad con la categoría correspondiente especificada en la tabla siguiente. Tabla 4.10. Porcentaje del peso que pasa por el tamiz 0,50 mm. Fuente: Norma UNE-EN 933-1:1998.

Categoría Tamaño en

A

B

C

D

E

F

mm Porcentaje de la masa que pasa 0,50

0,6

1,0

> 1,0

> 1,0

> 1,0

> 1,0

F INOS ( POLVO ) En este ensayo se determina el peso de material que pasa por el tamiz de 0,063 milímetros, de acuerdo con la UNE-EN 933-1:1998. El contenido de finos (por tamizado en vía húmeda) deberá ser inferior al 0,5% del peso total de la muestra. Como antes, la muestra de balasto a ensayar se recogerá de la zona de producción.

188


Los valores a cumplir son: Tabla 4.11. Porcentaje del peso que pasa por el tamiz 0,063 mm. Fuente: Norma UNE-EN 933-1:1998.

Categoría Tamaño en

A

B

C

D

E

F

mm Porcentaje de la masa que pasa 0,063

0,5

1,0

1,5

> 1,5

> 1,5

> 1,5

En el caso de atender a razones de higiene en el trabajo por realizarse éste en zonas especiales como pueden ser los túneles, se procede a limitar al 0,5% en peso del total de la muestra el porcentaje de polvo inferior a 0,063 mm. Finalmente indicar que el pliego que regula las condiciones de Renfe para este ensayo es el P.R.V. 3-4-0.0.

6.3.4. FORMA DE LAS PARTÍCULAS La forma ideal el balasto es la de un poliedro con aristas vivas. Esta forma dificulta el deslizamiento de las piedras entre sí, aminorando la deformación plástica de la banqueta. Cualquier otra forma, ya sea por el predominio de una dimensión sobre otra o bien por la redondez de las piedras, lleva a un ajuste de unas piedras con otras produciéndose una banqueta más densa con el paso de trenes, dando lugar a una deformación plástica mayor de la misma. La norma europea prevé dos ensayos alternativos para caracterizar la forma de las piedras. El índice de lajas y el índice de forma. Además de estos dos criterios, existen algunos otros, utilizados por otras administraciones, como son: el espesor mínimo de elementos granulares, la esfericidad, la angulosidad o redondez y el factor de forma.

Í NDICE DE LAJAS El índice de lajas, también es conocido como flakiness o flatness.

189


Su ejecución se atendrá a la norma UNE-EN 933-3:1997, no debiendo sobrepasar el 15% en peso sobre el total de la muestra para poder admitir un balasto. La tabla siguiente define los porcentajes en función de la categoría del balasto. Tabla 4.12. Porcentajes del índice de lajas según la categoría del balasto. Fuente: Norma UNE-EN 933-3:1997.

ÍNDICE DE LAJAS

CATEGORÍA

15

A

20

B

35

C

Ningún requerimiento

D

Estos valore son los establecidos por la norma europea, pero el criterio para definir el concepto de elemento plano o laja no coincide con los estándares de otras administraciones. Así, The British Standard define una partícula lajosa como aquella cuya mayor dimensión menor resulta 0,6 veces la de la dimensión mayor. El cuerpo de ingenieros de la armada americana sigue el criterio de 1/3 de la mayor dimensión. Más recientemente ASTM, basándose en el anterior criterio establece la opción de elegir el límite entre 1/2, 1/3 y 1/5 veces el valor de la dimensión mayor.

Í NDICE DE FORMA Este índice mide el porcentaje de piedras cuya dimensión mayor sea superior a tres veces la menor, medidas ambas según planos perpendiculares y paralelos dos a dos. En el caso que dicho porcentaje sea superior al permitido por la norma estaríamos alejándonos de la forma poliédrica de los elementos pétreos, que es la recomendable. En general se consideran esferas aquellas partículas con un Coeficiente de Forma (CF) igual a la unidad, los elementos cúbicos tienen un CF=0,36 y las lajas y aciculares suelen considerarse cuando el CF<0,36. De acuerdo con la UNE-EN 933-4:2008, se admiten los siguientes valores: 190


Tabla 4.13. Porcentajes del índice de lajas según la categoría del balasto. Fuente: Norma UNE-EN 933-4:2008.

ÍNDICE DE FORMA

CATEGORÍA

10

A

20

B

30

C

> 30

D

Este criterio no coincide con los estándares de otras administraciones. The British Standard define una partícula acicular como aquella cuya mayor dimensión es 1,8 veces la menor. El cuerpo de ingenieros de la armada americana sigue el criterio de 3 veces la menor dimensión. Más recientemente ASTM, basándose en el anterior criterio establece la opción de elegir entre 2, 3 y 5 veces el valor de la dimensión menor.

6.3.5. LONGITUD La longitud de las partículas se evalúa midiendo con calibres o galgas. El valor máximo, en tanto por ciento del peso de partículas de longitud superior a 100 mm, dentro de la muestra de 40 kg (± 100 g) será menor del 4% para la categoría A. Tabla 4.14. Porcentaje del peso de partículas de longitud superior a 100 mm, dentro de la muestra de 40 kg

% Longitud superior a 100 mm

CATEGORÍA

4

A

6

B

8

C

12

D

> 12

E

191


6.4. ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES FÍSICAS Después de las encuestas realizadas por el Comité D-182 del ERRI a distintas administraciones ferroviarias colaboradoras, se vio la gran diversidad de ensayos que se estaban realizando y la necesidad de unificar criterios mínimos. Así, dicho comité, como primer paso y, de cara a la consideración de resistencia al choque y al desgaste, se centró en los ensayos de desgaste de los Ángeles, de impacto y de desgaste Micro-Deval. Pero además, existen ensayos como el del molino de abrasión, el de rotura a compresión simple, el ensayo de carga puntual Franklin, el ensayo de corte directo y el ensayo de simulación tipo VIBROGIR, entre otros.

6.4.1. RESISTENCIA A LA FRAGMENTACIÓN D ESGASTE DE LOS Á NGELES El método de ensayo de Los Angeles es el método de ensayo de referencia para la determinación de la resistencia a la fragmentación del balasto. Esto es así porque, al paso de trenes por una vía los esfuerzos que se producen transmiten desde las traviesas al balasto, fundamentalmente en las zonas laterales de las mismas, que es donde el balasto está más compactado. En la capa de balasto este reparto se produce a través de los contactos de las piedras lo que hace que éstas se vayan desgastando y rompiendo, en función de la carga recibida. Por otra parte, con el balasto se consigue conferir a la vía una cierta elasticidad con lo que un cierto espesor del mismo aporta excelentes condiciones para absorber cargas, vibraciones y deformaciones que luego se pueden rectificar. Estas ventajas se van perdiendo cuando los roces entre las piedras provocan detritus y polvo que, como hemos dicho al hablar de la contaminación del balasto, reducen la elasticidad de la capa granular y hacen disminuir la permeabilidad de la misma. Por ello es necesario disponer un determinado espesor de balasto bajo traviesa y que éste sea tenaz y duro para que no se desgaste 192


rápidamente produciendo asientos y desplazamientos de unas piedras con otras, lo que al final se traduce en una modificación de la posición de la vía respecto a su posición teórica y una pérdida de sus funciones. Por ello, la mayoría de administraciones optan por considerar la capacidad de resistencia al desgaste como la más representativa del balasto. La administración española no es una excepción y concede la máxima importancia al ensayo de Los Ángeles, siendo cada vez más exigente en los límites aceptados. Este ensayo se normalizó por primera vez en 1926, sufriendo algunos ajustes en su ejecución a lo largo de los años. Está regulado por diversas normas: ASTM 535-89, NLT-149/91 y la UNE-EN 1097-2:2010. Cuando se exija, la resistencia a la fragmentación del balasto se debe determinar por medio del coeficiente de Los Ángeles, en las condiciones especificadas en las normas EN 13450:2002 y EN 1097-2:1998. Para la realización de este ensayo es necesario manipular los fragmentos de roca obtenidos en el muestreo, machacándolos para obtener un ajuste a la granulometría del balasto. La información que proporciona este ensayo nos da un índice de la degradación de un árido considerando la acción del impacto y el machaqueo, pero combinada con el efecto de la abrasión, aunque esta última acción en menor medida. Esto es así porque en esencia se trata de introducir con la muestra un determinado número de bolas de acero. Al rotar el cilindro, un entrepaño en su interior recoge la muestra y las bolas de acero dejando que caigan desde la parte superior produciendo la acción de machaqueo. Al mismo tiempo, la muestra y las bolas ruedan juntos produciéndose desgaste por rozamiento. La metodología de su ejecución depende de la granulometría del material prevista en su empleo. Así, por ejemplo, si la granulometría prevista en el ensayo está comprendida entre 20 y 80 mm, se utilizará una muestra de 10 kilogramos, mientras que si el intervalo es de 2,5 a 40 mm se utilizarán 5 kg de muestra. El ensayo consiste en llenar con el material a ensayar un cilindro hueco de acero con una longitud interior de 20" (508 mm) y diámetro, también 193


interior, de 28" (711 mm). Dicho cilindro tiene los extremos cerrados y gira en posición horizontal. El cilindro va provisto de una abertura para introducir la muestra a ensayar y un entrepaño para conseguir el volteo del material. La carga abrasiva que se introduce al comenzar el ensayo, junto con la muestra, consiste en unas esferas de fundición o acero con un diámetro aproximado de 47 mm y un peso comprendido entre 390 y 445 gramos cada una. En España el ensayo se rige por las siguientes condiciones: Tabla 4.15. Detalles del material abrasivo en el ensayo de Los Ángeles

Granulometría de la muestra de ensayo A

Número de esferas 12

Masa total de esferas (g) 5.000 ± 25

Número de revoluciones 500

B

11

4.585 ± 25

500

C

8

3.330 ± 20

500

D

6

2.500 ± 15

500

12

5.000 ± 25

1.000

E,F,G

Como este ensayo se realiza para los áridos en general, a la hora de ensayar partículas para balasto, conviene elegir la que más se aproxime al tamaño a utilizar en vía. Para la muestra modificada se mantiene el resto de condiciones como si se tratara del tipo E, F, o G. Una vez colocada la muestra y la carga abrasiva en la máquina, se hace girar el cilindro a una velocidad constante comprendida entre 30 y 33 r.p.m. hasta un total de 1.000 vueltas. A continuación se separa la muestra por el tamiz de 1,6 mm (alternativamente el nº 12 ASTM, de1,68 mm) y el material retenido en dicho tamiz se lava y deseca en estufa. La diferencia en peso entre la muestra inicial, Pi , y el material retenido en el tamiz, Pr , expresado en % del peso inicial, es el denominado coeficiente de desgaste de Los Ángeles.

CLA

194

Pi Pr % Pi


Está claro que dada la forma de ejecutar el ensayo, éste nos sirve, fundamentalmente, para controlar la fragilidad del material ensayado ante el choque. En todo caso, como en la descripción anterior se han contemplado modificaciones sobre el ensayo UNE-EN 1097-2:2010, al realizar el ensayo se deberá especificar dicha circunstancia. En algunas administraciones ferroviarias se admiten valores del coeficiente de Los Ángeles de hasta 30%, pero es conveniente no superar el 24%. Tabla 4.16. Coeficiente de Los Angeles y categorías de balasto

Coeficiente de Los Ángeles 12

A

14

B

16

C

20

D

24

E

> 24

F

CATEGORÍA

Los valores que recoge la tabla anterior, son los resultados de sucesivas reducciones a lo largo del tiempo, en estos momentos son pocas las canteras que pueden dar balasto con esas condiciones. Lo que se pretende con las exigencias cada vez más estrictas es evitar una degradación prematura del balasto bajo las cargas de tráfico, aunque haya que afrontar una inversión inicial mayor. Es importante destacar la necesidad de limitar por la parte baja dicho desgaste al 9% porque un balasto con un coeficiente menor, combinado con una gran rigidez de la traviesa de hormigón, resulta muy perjudicial por el desgaste recíproco que se produce.

E NSAYO DE C OEFICIENTE DE I MPACTO Con este ensayo llamado de Coeficiente de Impacto o Aggregate Impact Value (AIV) se pretende valorar la friabilidad de un material sometido a choques. El ensayo se realiza con numerosas variantes, en función de la utilización que se le va a dar al material. Por ejemplo, está regulado por 195


la norma británica BS 812-1975, la norma europea UNE-EN 10972:2010 o en el Anexo D de la norma UNE-EN 13450:2002. La muestra se coloca dentro de un recipiente cilíndrico. La carga dinámica se produce dejando caer una masa estándar de 14 kilogramos el número de veces y desde la altura regulada, según la norma. El valor AIV se define por la fórmula siguiente:

AIV con

B 100 A

A = peso de la muestra; B = peso de la fracción 8 mm.

Según los valores obtenidos en dicha expresión se podrá clasificar de esta manera: Tabla 4.17. Valores y clasificación del coeficiente de impacto

Coeficiente de impacto (%)

CATEGORÍA

14

A

18

B

22

C

> 22

D

Este ensayo es considerado como complementario por el G.I.F, por lo que no tiene carácter de aceptación o rechazo.

6.4.2. RESISTENCIA AL DESGASTE E NSAYO DE DESGASTE D EVAL Este ensayo que data de 1896 es quizás el más antiguo que aún se sigue realizando en la actualidad. Originalmente servía para evaluar la resistencia de materiales para carreteras. Después, en 1951 se estandarizó y adaptó para el ferrocarril. En la BR es muy favorablemente considerado por definir la durabilidad, considerando las condiciones del 196


clima británico. La administración francesa lo diseñó de tal forma que le permite definir la calidad del balasto en función de un coeficiente Q dado por la relación:

Qd

2.800 U

donde U es el peso de los elementos que pasan por el tamiz nº 12 ASTM, después de haberse ensayado la muestra en el aparato Deval. Por tanto, cuanto mayor es la muestra que pasa por dicho tamiz es porque el material ha sufrido un desgaste mayor. Como consecuencia, cuanto menor sea Q, peor es el material. La máquina Deval consiste en dos cilindros (uno se llena parcialmente de agua, Deval húmedo y el otro no, Deval seco) montados sobre un o bastidor con 32 respecto al eje de rotación. Se introduce la muestra a ensayar y se somete a una rotación de 10.000 vueltas durante 5 horas. Se saca la muestra, se separa el material fino cribando por el tamiz nº 12, se lavan los fragmentos retenidos para quitar el polvo y se pesan después de secos, determinándose así U, que es la pérdida de peso en gramos (peso inicial menos peso retenido en el tamiz de referencia).

U

Pi Pr

Es de observar que por la forma de calcular el coeficiente representativo de cada ensayo, en el caso del coeficiente de Los Ángeles el balasto es de mejor calidad cuando el coeficiente es menor, al contrario que lo que ocurre con el ensayo Deval, si bien hay que insistir en que cada ensayo caracteriza una cualidad distinta. Las ventajas del ensayo de Los Ángeles frente al Deval son:

rapidez (1.000 revoluciones frente a 10.000) menor dispersión de resultados

197


Actualmente la tendencia es prescindir del Deval frente al ensayo de Los Ángeles porque se considera que refleja mejor el proceso de desgaste que tiene lugar en la banqueta de balasto ante las cargas de los trenes. A pesar de ello en algunas administraciones se sigue utilizando el Deval húmedo. Cuando la roca es relativamente blanda, la relación de coeficiente Deval seco frente al húmedo puede estar en el entorno de 5 a 1. Cuando se trata de roca más dura, la absorción de agua es menor y los valores obtenidos en cada caso son más parecidos. En Francia se procura combinar el ensayo Deval y Los Ángeles de tal forma que mediante una gráfica de doble entrada se obtiene un valor conocido como Coeficiente de Dureza Global (DRG). Para adecuar las exigencias de la calidad del balasto a las nuevas necesidades, se han cambiado los valores iniciales contemplados, se le han introducido una serie de cambios que recogen en la norma UNE-EN 1097-1:1997. El ensayo es la variante Micro-Deval. Como consecuencia de la realización del ensayo con las variantes indicadas se establece la clasificación siguiente: Tabla 4.18. Categorización del balasto según su índice de desgaste. Fuente: Norma UNE-EN 1097-1:1997.

VALOR DEL DESGASTE

CATEGORÍA

5

A

7

B

11

C

15

D

> 15

E

En cualquier caso, en España este ensayo se considera complementario y no se le concede carácter de aceptación o rechazo.

198


6.4.3. DURABILIDAD D ENSIDAD Y ABSORCIÓN El ensayo se realiza según la norma UNE-EN 1097-6:2001: “Determinación de la densidad de las partículas y la absorción de agua”. La resistencia ante las heladas depende fundamentalmente de la porosidad. Si el balasto no absorbe más de un 0,5%, éste es apto ante los ciclos de hielo-deshielo. Cuando sea mayor del 1,5% se descartará el material y si se encuentra dentro de dichos límites se deberá recurrir a la ejecución del ensayo de estabilidad a la acción del sulfato magnésico o bien al ensayo de hielo-deshielo.

4,5 CAPACIDAD DE ABSORCIÓN

3,5 3,2 2,8 2,4

DE AGUA

2,0

EN %

1,5 1,2 0,8 0,4 0 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 GRAVA DE ROCAS DURAS

GRAVA DE DUREZA MEDIA

GRAVA DE ROCAS BLANDAS

Gráfica 4.7. Resistencia mecánica al choque de grava de distintas rocas y su dependencia con la capacidad de absorción de agua. Fuente: KARIMOV 1972.

El largo tiempo de ejecución del ensayo, así como su amplio límite de pérdida de peso han hecho que solo se exija en casos de homologación. No obstante el Pliego de Prescripciones Técnicas conjunto RENFEMOPTMA, solo lo exige cuando el porcentaje de absorción de agua esté comprendido entre el 0,5% y el 1,5% de su peso. Cuando estamos por 199


debajo del 0,5% se considera que la roca es resistente ante las heladas y, por tanto, no se exige la realización de este ensayo.

R ESISTENCIA A LOS CICLOS DE HIELO Y DESHIELO Un árido para balasto resultará más o menos dañado por las heladas en función del clima, del uso final y de las características petrográficas. En cuanto al clima, la magnitud de los daños será función del número de ciclos de hielo-deshielo, de su intensidad y del grado de saturación de las partículas. Respecto al uso final, la acción de los ciclos dependerá de la saturación ambiental de la zona, o del nivel de humedad. El riesgo aumenta en caso de proximidad a ambientes salinos, ya sea por proximidad al mar o por uso de sales descongelantes. Finalmente, desde un punto de vista petrográfico hay que considerar la resistencia de los elementos integrantes de la piedra, así como de los huecos que éstas tengan. Cuando existen antecedentes sobre comportamientos satisfactorios de determinadas rocas, esa será la prueba más segura de su empleo en la zona. Cuando no existe esa información, es conveniente la realización de ensayos, considerando las condiciones de la zona de empleo. Para ello puede servir la tabla que sigue a continuación. Tabla 4.19. Cuadro para obtener las condiciones a considerar de un balasto

SITUACIÓN/

MEDITERRÁNEO

ATLÁNTICO

CONTINENTAL

Seca o exenta de hielo

D

D

D

Saturación parcial, sin sal

D

C

B

Saturado, sin sal

D

B

A

Sal (agua de mar o superficie de carretera)

C

B

A

CLIMA

200


En ella, se puede considerar situación continental a las zonas montañosas con condiciones climáticas de invierno rigurosas. Por lo dicho, la susceptibilidad a los ciclos de hielo-deshielo se evaluará en función de los análisis petrográficos, de la absorción de agua o con el ensayo de estabilidad de sulfato de magnesio.

6.5. COMPONENTES PERJUDICIALES Se consideran componentes perjudiciales los metales y plásticos y la materia orgánica.

6.5.1. M ETALES Y PLÁSTICOS El balasto no deberá contener metales o plásticos. Esta condición está fundamentalmente relacionada con los balastos reciclados. Es normal que como producto del mantenimiento y durante la vida útil del balasto, éste acabe conteniendo restos de tirafondos, trozos de bridas o cualquier otro tipo de material no pétreo. Al reciclar el balasto, se deben adoptar las medidas pertinentes para eliminar todo ese tipo de material, tanto para evitar averías en la maquinaria utilizada, como para el funcionamiento adecuado del balasto.

6.5.2. SÓLIDOS ORGÁNICOS Y EXPANSIVOS El balasto no debe contener fragmentos de madera, carbonosos u otras materias orgánicas expansivas. Por las mismas razones anteriores, se debe procurar esta condición.

7. DISEÑO DE LA BANQUETA DE BALASTO Se puede decir que, en el diseño de la banqueta de balasto se deben analizar dos cuestiones básicas:

Elección del material Dimensionamiento de la banqueta

El diseño que se realice deberá cumplir con la normativa el P.A.V 3-4-0.0. “Pliego de prescripciones técnicas para el suministro y 201


utilización del balasto” aprobado en enero de 2007 y adaptado a las 11 normas UNE-EN 13450 y UNE 146147, así como a la ORDEN FOM/1269/2006 de 17 de abril, que establece las especificaciones técnicas relativas al balasto (PF-6) y subbalasto (PF-7), y adicionalmente, los criterios a seguir para la medición y abono de las correspondientes unidades de obra. El P.A.V 3-4-0.0 se aplica a líneas de alta velocidad ( 200 km/h), como para líneas convencionales (< 200 km/h) y tanto si el suministro se 12 contrata como una unidad de obra por parte del ADIF o Ministerio de Fomento, como si dicho suministro se realiza por gestión directa de ADIF o a través de organizaciones dependientes del Ministerio de Fomento o cualquier administración pública, sea ésta estatal o autonómica.

7.1. DATOS PREVIOS . CLASIFICACIÓN DE LA LÍNEA Para elegir el material debe conocerse el grupo al que pertenece la línea férrea, según la clasificación propuesta por la U.I.C y adaptada por RENFE y ADIF. Esta clasificación viene determinada en función del tráfico ficticio diario, calculado con la fórmula siguiente:

Tf 2

S·T f 1

donde: Tf2 es el tráfico ficticio diario expresado en TBR/km día

11

Las Normas UNE son la UNE-EN 13450, “Áridos para balasto ferroviario” de 12 de diciembre de 2003 y la Norma UNE 146147 “Áridos para balasto. Especificaciones adicionales”.

12

Según la norma, solo podrá utilizarse balasto legalmente comercializado en estados de la Unión Europea o bien que sean parte del Acuerdo sobre el Espacio Económico Europeo. En aplicación de las disposiciones referidas a la libre circulación de productos de construcción, los áridos para balasto deben estar en posesión del marcado CE, por lo que deben disponer del certificado de control de producción “CE”, conforme a los términos establecidos en el Anejo ZA de la UNE-EN 13450:2003.

202


S es un coeficiente indicativo de la calidad de la vía, que vale: Tabla 4.20. Valor del coeficiente S según las líneas

Valor de S

Características

1,00

Líneas sin tráfico de viajeros o con este tráfico esencialmente local.

1,10

Líneas cuyo tráfico de viajeros se realiza en trenes de velocidad igual o inferior a 120 Km/h.

1,20

Líneas cuyo tráfico de viajeros se realiza en trenes de velocidad mayor de 120 Km/h. e igual o inferior a 140 Km/h.

1,25

Líneas cuyo tráfico de viajeros se realiza en trenes con velocidad superior a 140 Km/h.

Tf1 designa un tonelaje ficticio con la expresión siguiente:

Tf 1 T v KmTm KtTt donde: Tv = Tonelaje diario de viajeros, expresado en toneladas brutas remolcadas. Tm = Tonelaje diario de mercancías, en toneladas brutas remolcadas. Tt = Tonelaje diario de las locomotoras, en toneladas brutas. Km = Coeficiente de valor 1,15, salvo para las vías que soportan un tráfico preponderante de ejes de 20 toneladas en que toma el valor de 1,30. Kt = Coeficiente de valor 1,40.

203


Según el tráfico ficticio, Tf2, la U.I.C. clasifica las líneas férreas en 8 grupos, RENFE primero y ADIF, posteriormente, adoptaron la clasificación siguiente: Tabla 4.21. Parámetros de clasificación de las redes de ADIF

Grupo

Características (valores en TBR/km día)

AVE

-

A

Tf2 > 14.000

B

14.000 Tf2 > 7.000

C

Tf2 < 7.000 o menos de 8 circulaciones/día

Las líneas existentes están clasificadas según la figura siguiente.

204


Figura 4.6. Clasificación de las líneas existentes Fuente: Norma ADIF PAV 3.4.0-0

205


7.2. ELECCIÓN DEL MATERIAL Para la elección del material deben identificarse los siguientes elementos:

Tipo petrográfico Resistencia Tamaño del balasto

7.2.1. T IPO PETROGRÁFICO La norma española clasifica en dos grupos al balasto, el tipo a y el b. En función del tráfico se elige. Tabla 4.22. Elección del tipo petrográfico del balasto

Tráfico

4.000 TKBR/km día

< 4.000 TKBR/km día

13

Tipo

Tipo petrográfico

a

Rocas silíceas ígneas y metamórficas. Entre las cuales se encuentran: basaltos, pórfidos, andesitas, dioritas, microgranitos, ortocuarcitas, ortogneis, metacuarcitas, migmatitas, adamellitas, dacitas, riodacitas, riolitas, ofitas, aplitas

b

Rocas silíceas sedimentarias (sílex, algunas areniscas y conglomerados)

7.2.2. RESISTENCIA En función de la velocidad máxima de la línea se elegirá un balasto diferente, en función del Coeficiente de Los Ángeles, tal y como indica la tabla siguiente:

13

Se recuerda que TKBR/km día son Toneladas Kilómetro Brutas Remolcadas por kilómetro y día.

206


Tabla 4.23. Elección de la resistencia del balasto

Ancho de vía (mm) 1435 1435 1435 1435 < 1435

Velocidad máxima de la línea (km/h) 200 200 < 200 -

Tipo de balasto

Tipo de línea

CLA

AVE, A o B AVE, A o B AVE, A o B C -

12% 14% 16%

Tipo 1 Tipo 2

20%

Tipo 3

7.2.3. T AMAÑO DEL BALASTO En España el tamaño del balasto viene determinado por el huso A (ver Tabla 4).

7.3. DIMENSIONAMIENTO DE LA BANQUETA El dimensionamiento de la banqueta implica el diseño de cada uno de los parámetros que se muestran en la figura.

Figura 4.7. Dimensiones más importantes de la banqueta de balasto

7.3.1. ESPESOR DE BALASTO BAJO TRAVIESA (E) El diseño de los espesores de banqueta debe ser tal que evite el hundimiento y proporcione una rodadura suave. Según los países, el espesor de balasto bajo traviesa varía desde los 35 cm de Francia a los 30 cm de Alemania o los 45 cm de espesor usado en Inglaterra. En todo caso, la cuestión básica que se ha planteado es tener una solución de compromiso entre la elasticidad de la vía (lo que requiere mucho balasto) o la rigidez (conseguida con poco espesor de balasto). 207


También es necesario realizar un análisis de la influencia del espesor de balasto en el hundimiento de la vía, tal y como hizo Ore en 1972.

Gráfica 4.8. Influencia del espesor de balasto en el hundimiento de la vía. Fuente: Ore.

Veamos ahora, de forma práctica, cómo diseñar el espesor de la traviesa. Las normas españolas, proporcionan un valor conjunto para el espesor de balasto y sub-balasto como veremos en el capítulo correspondiente al dimensionamiento de la plataforma. En las normas de 14 la SNCF se recomienda un espesor de balasto bajo traviesa que viene dado por la velocidad de la línea en función de la tabla siguiente: Tabla 4.24. Elección del espesor de la banqueta de balasto. Fuente: SNCF.

14

Velocidad máxima de la línea

Espesor de la banqueta de balasto

V 270 km/h

30 cm

230 V < 270 km/h

25 cm

160 V < 230 km/h

25 cm

V < 160 km/h

20 cm

Société Nationale des Chemins de Fer, es el administrador de las infraestructuras ferroviarias de Francia.

208


7.3.2. ANCHURA DEL HOMBRO El ancho de los hombros es experimental, pero ha llegado a comprobarse que los anchos actuales están dentro de una dimensión no desbordada por las acciones que transmiten los carriles. Por esta razón, se recomiendan los anchos que se recogen en la tabla siguiente. Tabla 4.25. Medidas del ancho de hombro según la clasificación de la línea

Grupo

Ancho de hombro (cm)

AVE

105

A

105

B

100

C

95

Es importante resaltar que el ancho de hombro se mide desde la cara activa del carril hasta el final de la banqueta.

Figura 4.8. Ancho de hombro

Como se observa en el lado derecho de la figura la banqueta tiene un montículo llamado sobrebanqueta, este aumento del espesor del balasto se realiza en algunos puntos de la vía, básicamente en curvas para reforzar la estabilidad de la banqueta.

7.3.3. ÁNGULO DE DERRAME En la norma N.R.V. 3-4-1.0 RENFE fija las relaciones invariables para el talud del balasto en la banqueta, de la siguiente tabla:

209


Tabla 4.26. Ángulo de derrame según la clasificación de la línea. Fuente: RENFE.

Grupo

Ángulo de derrame

AVE

3H/2V

A

5H/4V

B

5H/4V

C

5H/4V

EJEMPLO 3: Se desea diseñar la banqueta de balasto de una línea de cercanías cuya velocidad es de 120 km/h. Se diseña para que puedan circular por ella trenes de pasajeros. Se espera un tráfico de 8000 TBR/km día.

1. Clasificación de la línea La clasificación de la línea viene dada según la fórmula siguiente:

Tf 2

S·T f 1

En la Tabla 4.20. Valor del coeficiente S según las líneas

se lee “Líneas cuyo tráfico de viajeros se realiza en trenes de velocidad igual o inferior a 120 Km/h Æ S=1,10” Para

Tf 1 T v KmTm KtTt

; con

Tv = 8000 TBR/km día Tm = 0 (línea de pasajeros), Tt = 0 (locomotoras incluidas) Km = 1,15, Kt = 1,40

T f 1 T v K mTm KtTt

8000 0 0 8000

Según la Tabla 4.21. Parámetros de clasificación de las redes de ADIF estamos frente a una línea de Categoría B (14.000 Tf2 > 7.000). 210


2. Elección del material

Tipo petrográfico: de la Tabla 4.22. Elección del tipo petrográfico del balasto se observa que el tráfico 4.000 TKBR/km día Æ tipo a

Resistencia: de la Tabla 4.23. Elección de la resistencia del balasto se tiene que la velocidad es < 200 km/h, estamos en categoría B Æ Balasto Tipo 2 con un Coeficiente de Los Angeles 16%

Tamaño del balasto: Huso A

3. Dimensionamiento de la banqueta

Espesor de balasto bajo traviesa: de la Tabla 4.24. Elección del espesor de la banqueta de balasto, como V < 160 km/h Æ e=20 cm

Anchura del hombro: de la Tabla 4.25. Medidas del ancho de hombro según la clasificación de la línea, como estamos en una línea del grupo B Æ h=100 cm

Ángulo de derrame: de la Tabla 4.26. Ángulo de derrame según la clasificación de la línea, como estamos en una línea del grupo B Æ talud=5H/4V

En este caso, la banqueta de balasto tendría las siguientes características:

211


8. PUESTA EN OBRA DEL BALASTO Una vez realizado el proyecto y licitadas las obras, la empresa constructora adjudicataria debe planificar cada uno de los trabajos que permitirán hacer realidad el diseño proyectado. Estas tareas son de gran importancia ya que, las características mecánicas del balasto son consecuencia de la combinación de las propiedades físicas propias del material (tamaño, dureza, forma, angulosidad, textura superficial y resistencia) pero además de su estado en obra, entendiendo por características “in situ” la densidad de compactación (Waters y Seling, 1994). En cuanto a las propiedades físicas, el contratista deberá elegir a sus proveedores, entre ellos, las canteras de balasto (apartado 8.1) y desde el punto de vista de las características “in situ” se deberá realizar una correcta puesta en obra (apartado 8.3).

8.1. EL ORIGEN DEL MATERIAL. LAS CANTERAS De todos los minerales existentes en las canteras, se suele aprovechar un 55% o 60%. A la hora de elegir la instalación debe plantearse una solución de compromiso entre la potencia de la voladura y el tamaño de la machacadora (una voladura muy potente reducirá las rocas y no será necesaria una machacadora de grandes dimensiones y viceversa). Todas las instalaciones de machaqueo deben tener los correspondientes elementos: cribas de 150 mm, 60 mm y 30 mm, machacadoras, cribas secundarias, acopio de 0 a 150 mm, molinos, etc. Además para la correcta producción de los materiales, se deben considerar algunas cuestiones como el tipo de instalación y la velocidad de producción para obtener elementos con coeficientes de forma homogéneos. Como se ha visto con anterioridad, el material debe cumplir con unos requisitos de calidad. El nivel de calidad inicial que permite la explotación de una cantera se puede asegurar siguiendo una serie de normas que sirven para su homologación.

212


La homologación de una cantera para la producción de balasto dependerá de los organismos para los cuales se realice dicha producción, en España es ADIF. Esta homologación se refiere tanto a la aceptación geotécnica del frente explotable como de la planta de trituración y cribado. Las condiciones de la realización de la homologación geotécnica vienen regulada por el pliego de prescripciones P.A.V. 3-4-0.0, pero de forma resumida se puede decir que el informe deberá explicitar los siguientes aspectos:

Antecedentes Objeto del informe Situación geográfica de la cantera (en plano a escala 1:25.000) Estudio geológico-geotécnico de la cantera incluyendo cartografía geológica a escala 1:25.000 con encuadre geológico y tectónico regional, cartografía geológica de detalle a escala 1:2.000 con estudio litológico y tectónico, toma de muestras en los frentes canterables en, al menos, cuatro puntos, sectorización geotécnica de frentes canterables estudio petrográfico en lámina delgada con clasificación por conteo puntual de granos de difractometría cuantitativa de rayos X, y ensayos de laboratorio con, al menos, la determinación de los ensayos siguientes: o Resistencia a compresión simple o Desgaste de Los Ángeles o Porcentaje de absorción de agua o Resistencia a la helada por absorción de sulfato magnésico o Densidad aparente de la roca Plan de explotación de la cantera Análisis económico de la explotación Protección del medio ambiente Conclusiones

Este tipo de informes se considera obligatorio para abrir una cantera para balasto, pero también se efectuarán nuevamente en aquellos casos en los que se presenten características degenerativas de la piedra.

213


Figura 4.9. Ejemplo de distintivo de calidad ADIF. Fuente: PAV 3-4-0.0.

La homologación de las instalaciones pretende verificar la idoneidad de las mismas para la finalidad que se pretende, así como el cumplimiento de las disposiciones contenidas en el pliego correspondiente. Las condiciones a considerar son las siguientes:

214

Limpieza del lugar de extracción. Antes de la apertura de nuevo frentes se debe sanear convenientemente la montera. Al mismo tiempo, la explanada de la cantera deberá organizarse de tal manera que no se puedan producir accidentes durante la extracción, manteniendo una zona exclusiva reservada para el acopio de materiales ferroviarios. Precauciones adecuadas en caso de cantera próxima a instalaciones ferroviarias, incluso con personal propio del cliente. Evaluación ambiental que contemple el estudio de impacto ambiental, así como un plan de restauración ambiental. Organización de la cantera con la maquinaria adecuada a la roca de origen, así como la disponibilidad de acopios de cantera al abrigo de cualquier foco de contaminación Estos acopios no deberán tener alturas superiores a 3 metros para


evitar segregaciones o separaciones de tamaños. En cuanto a la maquinaria, los elementos típicos de la cantera son: primario con machacadora mandíbulas y riego por goteo, secundario con machacadoras de impacto o combinación de cono e impacto para evitar exceso de elementos aciculares o lajosos, cribas antilajas (en caso necesario por la tipología del material) y, finalmente, tolvas de almacenamiento para cargar el material evitando la contaminación por finos del material. Así, todo el balasto suministrado deberá proceder de canteras homologadas también llamado “distintivo de calidad ADIF”. En la figura siguiente se muestran las canteras con distintivo de calidad ADIF en 2007.

215


Figura 4.10. Canteras con distintivo de calidad ADIF en enero de 2007 Fuente: Norma ADIF PAV 3.4.0-0.

216


8.2. CONTROL DE RECEPCIÓN Puesto que el balasto suministrado procede de canteras con distintivo de calidad, no es necesario realizar ensayos de recepción obligatoriamente. Es suficiente, en la mayoría de los casos, realizar un control documental de los ensayos realizados comprobando, por ejemplo, los siguientes elementos con los que debe identificarse el balasto: a) b) c) d) e)

el origen (si el material hubiera sido remanipulado en un depósito, también se debe incluir éste). indicación breve del tipo petrográfico (véase la Norma UNE-EN 932-3). el tamaño del balasto. si se exige, el código de fabricante que relacione la denominación y la descripción del balasto. cualquier otra información adicional necesaria para identificar un árido para balasto concreto.

8.3. PUESTA EN OBRA 8.3.1. DESCARGA DEL BALASTO La descarga del balasto es complicada y, aunque puede hacerse de varias formas, ninguna es totalmente satisfactoria: a)

b) c) d) e)

Ensamblando la vía nueva y descargando el balasto sobre la misma vía con vagones-tolva. La vía se ensambla sobre la capa de sub-balasto; cuando las traviesas son de hormigón monobloque se descargarán previamente dos cordones o líneas de balasto sobre los que descansarán dichas traviesas. La capa de sub-balasto se deteriora ligeramente con los carriles guía y con el contenedor de balasto. Este procedimiento no se puede emplear en líneas con velocidad máxima igual o mayor de 200 km/h. Descargándolo desde una vía lateral y paleándolo a su ubicación definitiva. Con camiones sobre la propia explanación de la vía. Con camiones, descargándolo en explanación lateral y paleándolo. En vías de velocidad igual o mayor a 200 km/h se deben emplear extendedoras de balasto. Si existe una vía contigua, 217


que puede ser provisional construida expresamente a tal efecto, la descarga de balasto se realizará desde vagones-tolva.

8.3.2. COLOCACIÓN DEL BALASTO En vías de velocidad menor de 200 km/h, se extiende el balasto y se compacta con rulo sin vibrar, tras el colocado de las traviesas, se extiende una segunda capa con tolvas y se eleva el emparrillado con la bateadora.

Figura 4.11. Puesta del balasto sobre la plataforma

En vías de velocidad igual o mayor a 200 km/h su colocación se realizará con máquina extendedora de balasto, provista de cable guía o control láser que garantice la cota de nivelación y la uniformidad de su superficie, incluso el peralte y la zona de rebaje entre carriles. Al trabajar con la extendedora de balasto se garantiza la homogeneidad de la composición granulométrica del balasto, condición muy importante para la posterior calidad de la vía.

218


Figura 4.12. Extendido y primera nivelación del balasto realizada por la extendedora circulando sobre vía provisional

La densidad del balasto se consigue con la compactación. En primera instancia la compactación se consigue mediante bateo, continuando dicho proceso con el paso de trenes, combinado con otros factores ambientales.

9. DESGASTE DEL BALASTO Hay que tener en cuenta que las características del balasto en servicio se modifican en razón de:

degradación mecánica de las partículas durante los trabajos de construcción y mantenimiento y también bajo las cargas del tráfico. degradación química y mecánica por causas climatológicas. contaminación por finos del balasto.

Una encuesta llevada a cabo entre los miembros del Comité D182 puso en evidencia que los problemas más importantes referentes al balasto que se presentaban se referían al redondeo de las piedras y a su contaminación.

219


9.1. POR REDONDEO DE LAS PARTÍCULAS La disgregación o el desgaste por redondeo de las partículas puede ser debida al efecto de la onda de avance, con traviesa de hormigón debido a su rigidez, amortigua peor el impacto de las cargas. Este efecto se acrecienta por tratarse de una traviesa más pesada. Con traviesa de madera la pérdida de balasto es del 0,23% en volumen 6 por cada 10 toneladas de carga que pasa por una vía, siendo del 0,39% con traviesa de hormigón. Además de este desgaste, las cargas del tráfico provocan un asiento y una consolidación de la vía. Esta consolidación es más rápida en vías con traviesas de hormigón y se produce cuando han pasado de 15 a 17 millones de toneladas por la vía. En ese caso, la vía viene a asentar 6 0,09 mm por cada 10 t. En vías con traviesas de madera se produce la consolidación de forma más lenta, sin duda por la mayor elasticidad de este tipo de traviesa, y se puede considerar que concluye cuando han pasado de 23 a 30 millones de toneladas por la vía. El asiento puede considerarse del 6 orden de 0,06 mm por cada 10 t. Tabla 4.27. Asiento a lo largo del paso de toneladas por la vía

TONELADAS PASADAS

Asiento en mm por cada millón de toneladas (según el tipo de traviesa) HORMIGÓN

MADERA

hasta 15 x 106 a 17 x 106

0,09

-

> 17 x 106

0,03

-

hasta 23 x 106 a 30 x 106

-

0,06

> 30 X 106

-

0,02

La explicación de este proceso de deterioro de la nivelación por causas imputables al balasto es, sin duda, consecuencia del comportamiento del 220


mismo. Se puede decir que el balasto tiene un comportamiento elástico e inelástico simultáneamente. En todo momento se produce el asiento elástico del balasto y, por tanto recuperable, al paso de una carga en una zona determinada. En paralelo, hay una parte de la deformación que no se recupera, es decir, inelástica, producida por el doble proceso de ajuste de la posición de unas piedras con otras y por el desgaste de las mismas. Obviamente, el deterioro del balasto es continuo hasta la degradación que hace necesaria su sustitución.

9.2. POR CONTAMINACIÓN POR FINOS Las partículas más finas que se adhieren al balasto resultan una fuente de contaminación del mismo, el cual pierde la capacidad de fricción entre piedras pudiendo llegar a desestabilizar un emparrillado. En los casos en los que se observe excesiva concentración de finos será necesaria la sustitución del balasto.

10. REGENERACIÓN Y REUTILIZACIÓN DEL BALASTO También se puede reutilizar el balasto procedente de obras ferroviarias, siendo necesaria la comprobación, según la Norma UNE-EN-9335:1999, que el 100% de las partículas retenidas por el tamiz 22,4 son de las denominadas “totalmente trituradas”.

221


BIBLIOGRAFÍA

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CAPÍTULO 5 VÍA CON Y SIN JUNTAS PABLO SALVADOR ZURIAGA, IGNACIO VILLALBA SANCHIS

Capítulo 5. Vía con y sin juntas

ÍNDICE DEL CAPÍTULO 1. Introducción ......................................................................................227 2. Vía con juntas ...................................................................................228 2.1. Condiciones de trabajo .............................................................229 2.2. Tipología de juntas ...................................................................230 2.2.1. Según su apoyo ............................................................... 230 2.2.2. Según su disposición ....................................................... 231 3. Partes de las juntas ..........................................................................231 3.1. Bridas........................................................................................232 3.1.1. Características generales ................................................ 232 3.1.2. Formas especiales ........................................................... 232 3.2. Tornillos ....................................................................................233 3.3. Conexiones ...............................................................................234 4. Juntas especiales .............................................................................235 5. Problemática de la vía con juntas .....................................................237 6. La vía sin juntas................................................................................237 6.1. Ventajas e inconvenientes ........................................................238 6.2. Definición ..................................................................................238 6.3. Análisis teórico de la vía sin juntas ...........................................239 6.3.1. Esfuerzos ......................................................................... 239 6.3.2. Deformaciones ................................................................. 240 6.4. Aparatos de dilatación ..............................................................242 6.5. Condiciones de implantación de la B.L.S..................................243

225


7. Diseño de las vías sin juntas ........................................................... 245 7.1. Diseño de las soldaduras ......................................................... 245 7.2. Diseño de los aparatos de dilatación ....................................... 246 8. Puesta en obra y control de la vía sin juntas ................................... 249 8.1. Soldadura eléctrica en taller ..................................................... 249 8.2. Control de recepción ................................................................ 250 8.3. La neutralización de tensiones ................................................. 252 8.3.1. Calentamiento solar ......................................................... 254 8.3.2. Calentamiento artificial ..................................................... 255 8.3.3. Liberación por tracción ..................................................... 257 8.4. Soldadura aluminotérmica in situ ............................................. 259 Bibliografía ........................................................................................... 263

226


1. INTRODUCCIÓN Los carriles tienen limitada su longitud, las barras no pueden ser infinitamente largas porque ocasionarían problemas de fabricación (en el proceso de laminación), problemas de transporte y excesiva dilatación térmica. Estos deben unirse una vez están colocados en su posición definitiva, bien por soldadura, en tal caso hablamos de vía sin juntas o Barra Larga Soldada (B.L.S) o bien por elementos de unión, en este caso estamos ante una vía con juntas. En los Apartados 2, 3 y 4, se describirán las características y los materiales empleados para la puesta en obra de las vías con juntas. Cabe señalar que históricamente se han detectado problemas en juntas (hablaremos de ello en el apartado 5) como son deformaciones y roturas en estrella, excesivo desplazamiento longitudinal del carril, son puntos en los que se ejerce una resistencia a la tracción, la rodadura se hace incómoda y se escuchan ruidos (dentro y fuera del tren). Desde el punto de vista de la infraestructura se reduce la vida útil del emparrillado y del balasto (dado el continuo machaqueo que sufre) y además el material rodante se desgasta en menor tiempo. A todos estos problemas se le añade el hecho que la mayor parte de las fracturas observadas en los carriles se deben a defectos de uso (76% frente al 24% que se deben a defectos de fabricación). De todas ellas, el 77,4% se dan en vías con juntas y sólo el 22,6% en vías soldadas. Todos estos datos, ponen de manifiesto un mejor comportamiento de las vías soldadas. En el Apartado 6, se describen sus características, ventajas e inconvenientes, se analiza su comportamiento frente a esfuerzos y deformaciones, y se explican las condiciones en las que es posible implantar carril continuo soldado. Tal y como venimos haciendo, en el Apartado 7, se proponen unos criterios básicos para el diseño de las soldaduras y la elección de los aparatos de dilatación. Además, el empleo de B.L.S implicar conocer los condicionantes de su puesta en obra como son la neutralización y los tipos de soldadura, tal y como se explica en el apartado 8. 227


2. VÍA CON JUNTAS La unión de dos carriles entre sí se denomina junta, cuando esta unión se realiza mediante unas piezas metálicas llamadas bridas o eclisas decimos que estamos ante una vía con juntas, pues existe un hueco, que queda entre dos carriles consecutivos, que se denomina cala.

Figura 5.1. Vista de una junta con brida

La función fundamental de las juntas es facilitar la dilación del carril por efecto de las variaciones de temperatura del medio. Estas variaciones de temperatura (T), las características del material (su coeficiente de dilatación ), así como la longitud máxima admisible de la cala (L) predeterminan la longitud (L) de los carriles. Dicha longitud se limita también por las exigencias de laminación, en general estamos frente a valores que oscilan entre 12, 18, 24 y 36 m.

'L D L 'T Pero además de facilitar la dilación del carril, las juntas deben garantizar que:

228

los carriles se comporten como una viga continua, que trabajen solidariamente. se mantenga lo máximo posible la resistencia a la deformación.


2.1. CONDICIONES DE TRABAJO Las juntas son puntos débiles de la vía, ya que en esta zona de discontinuidad se produce una variación brusca del momento de inercia.

Figura 5.2. Descenso del momento de inercia del carril (IC) y de la brida (IB)

Cuando la llanta del material móvil se sitúa sobre la junta, el extremo del carril tiende a doblarse (como muestra la figura siguiente), este comportamiento tiene las siguientes consecuencias:

el carril flecta y se deforma, pudiendo llegar las deformaciones a ser permanentes. l balasto e se aplasta. la rodadura es incómoda. amplifica el corrimiento de carriles. aumenta la resistencia a tracción de los trenes.

229


Figura 5.3. Flexión del carril cuando pasa la rueda

2.2. TIPOLOGÍA DE JUNTAS Existen varias clasificaciones de juntas según la forma en la que están apoyadas, según su disposición o según sus características más o menos especiales.

2.2.1. SEGÚN SU APOYO Según su apoyo se distinguen:

230

apoyadas: son aquellas que la junta se encuentra directamente sobre la traviesa.

semi-suspendidas: son aquellas juntas en las que la longitud de la brida alcanza las traviesas. Se pretende aumentar la resistencia de las juntas suspendidas.

suspendidas: son aquellas en las que la brida no está sobre las traviesas, son las más elásticas.


Figura 5.4. Tipos de juntas según su apoyo

2.2.2. SEGÚN SU DISPOSICIÓN Las juntas también se clasifican según su situación en los dos hilos de la vía (en planta) de las vías se pueden disponer enfrentadas que son las llamadas juntas a escuadra o alternas que son las juntas al tresbolillo. En la disposición a escuadra, la junta se realiza en ambos hilos en un mismo plano perpendicular al eje de la vía. En la disposición alternada, las juntas de ambos hilos se realizan en diferentes planos quedando a una distancia variable (como mínimo 6 metros), evitando de este modo, que los ejes de los vehículos incidan simultáneamente sobre ambas juntas. Esta disposición es la más usada en España.

3. P ARTES DE LAS JUNTAS Se distinguen tres partes: las bridas, los tornillos y las conexiones. Las bridas son las piezas que materializan la unión entre los carriles, en cambio, los tornillos fijan y hacen solidarias las bridas a los carriles. Ambos elementos se describen con más profundidad a continuación. 231


3.1. BRIDAS La función de las bridas es unir los extremos de dos carriles consecutivos, de forma que sus ejes longitudinales coincidan y quede inmovilizada su posición tanto en el plano longitudinal como en el vertical.

3.1.1. C ARACTERÍSTICAS GENERALES Su forma y dimensiones varían en función del carril al que vayan unidas (recordemos que existen carriles de 45, 54 y 60 kg/m). Las distintas administraciones ferroviarias proporcionan las dimensiones de las bridas y sus tornillos. Como se ha mencionado antes, la función fundamental de las juntas es facilitar la dilación del carril, esto se consigue dejando una holgura entre los taladros de las bridas y los de los carriles, esta se llama juego. El máximo juego permitido suele variar entre 13 y 25 mm.

Figura 5.5. Representación de juego entre carril y brida

3.1.2. FORMAS ESPECIALES Las bridas comenzaron siendo planas, de sección recta o ligeramente bombeada, pero debido al desgaste localizado que sufrían (sobre todo en los extremos y en el centro) se fueron desarrollando formas alternativas que redujeran dicho desgaste. La brida especial u ondulada fue propuesta por la francesa SNCF, el forro shim es una pieza de acero templado que se coloca entre brida y carril, su objetivo es corregir los degastes existentes en la brida. 232


Figura 5.6. Esquema de brida especial (arriba) y forro shim (abajo)

3.2. TORNILLOS Las bridas se colocan por parejas en cada una de las caras del alma de los extremos del carril que han de unir. El apretado de brida y carril se realiza mediante tornillos y complementos de formas diversas. El sistema de apretado debe ser simple y de fácil manejo, siempre teniendo en cuenta que se requiere una unión sólida y enérgica. Se debe, no obstante, adoptar una solución que sea fuerte y que, a la vez, permita el deslizamiento de tornillos (recordemos que existe juego). Los tipos de tornillos varía de acuerdo con las bridas que se unen, dependen de las dimensiones y también de la forma de sus cabezas: rectangular, en “pico de pato” o cuadradas. Dicha forma evita que los tornillos puedan aflojarse y permite un mejor apretado. La elasticidad de apretado la proporcionan dispositivos como las placas Reiss, los frenos Montupet o las arandelas Grover.

233


Figura 5.7. Arandelas Grover

3.3. CONEXIONES Las conexiones tienen como misión asegurar la continuidad de las corrientes de señalización. Están formadas por cables (generalmente de cobre) soldados al carril.

Figura 5.8. Conexión que garantiza la continuidad del circuito eléctrico

234


4. JUNTAS ESPECIALES Se distinguen dos tipos de juntas especiales: las aislantes y las de diseños especiales. Las juntas aislantes están formadas por un conjunto de piezas de diferentes materiales con el que se unen y embridan los extremos de dos carriles para impedir el paso de la corriente eléctrica. Las juntas aislantes están compuestas por unos forros aislantes que se colocan entre las bridas y el carril y entre los dos carriles consecutivos, también se dispone de unos cilindros aislantes que se colocan alrededor de los bulones para que no se establezca contacto por el taladro practicado en el alma del carril. La figura siguiente muestra las partes de una junta aislante.

Figura 5.9. Partes de una junta aislante. Fuente: NRV 3310 de RENFE.

Los materiales aislantes pueden ser: madera baquelitizada, fibra de vidrio, etc. Una evolución y mejora de las juntas aislantes, son las juntas encoladas. Utilizan bulones de alta resistencia y resinas sintéticas (como las epoxi). En este tipo de juntas, las bridas se encolan al carril por medio de resinas sintéticas y otros materiales aislantes de espesor total de 1,5mm. 235


Figura 5.10. Detalle junta encolada

El otro gran tipo de juntas especiales es aquel que no tiene la cara plana sino que se caracteriza por un diseño distinto, como el tipo Singol, en el que la cada de contacto entre carriles está formado por un corte biselado o en zigzag.

Figura 5.11. Junta de diseño especial utilizada en España 236


5. PROBLEMÁTICA DE LA VÍA CON JUNTAS Las juntas han sido uno de los puntos débiles de la vía, tanto para el material móvil como para la superestructura, además influyen en la comodidad del viajero. Algunos de los problemas más importantes de la vía, que se derivan de la presencia de juntas son:

Fuertes acciones dinámicas que producen, por la discontinuidad de la inercia vertical, golpes, deformaciones y roturas en los extremos del carril.

Concentración de tensiones en las juntas, lo que implica frecuentes roturas de bridas y carriles.

Aumento de los gastos de conservación de la vía, ya que, además de los aspectos citados, existen muchos más factores que indicen en la conservación.

Aumento de la resistencia a la rodadura.

Pérdida de confort por rodadura incómoda y por los ruidos que se escuchan dentro y fuera del tren.

Pese a que se ha trabajado para eliminar todos los inconvenientes que presentan las juntas (aumento de la inercia vertical, juntas especiales, aproximación de las traviesas, endurecimiento de los extremos de los carriles, etc.) no ha sido posible encontrar un sistema que los resuelva, a no ser que las juntas desaparezcan. Esto es lo que trata de conseguir la soldadura de los carriles.

6. LA VÍA SIN JUNTAS La vía sin juntas o vía soldada comenzó a utilizarse en 1917 para desvíos. La soldadura utilizada era la oxiacetilénica, más tarde, en 1930, en algunas vías de tranvías se comenzó a poner en práctica ya que se pensaba que con el carril empotrado no habría problemas de dilatación acusada. Cinco año más tarde, en 1935 se emplearon carriles soldados de 200 m en túneles y puentes. Finalmente, en 1936 el A.R.E.A. publica las primeras normas y recomendaciones para el carril continuo soldado. Actualmente existe una aceptación total y el empleo de la vía soldada es el más extendido. 237


6.1. VENTAJAS E INCONVENIENTES Las principales ventajas detectadas en el empleo del carril continuo soldado o vía sin juntas son:

necesidad de un menor número de traviesas ahorro de bridas y tornillos necesidad de menos conexiones eléctricas ya que la soldadura mejora de la conductividad alarga la vida útil del carril en un 30% requiere un 30% menos en gastos conservación

Sin embargo, existen algunos inconvenientes como: las condiciones específicas que requiere la soldadura y la estricta observación que se debe realizar durante la conservación.

6.2. DEFINICIÓN Se dice que en un tramo de vía hay Carril Continuo Soldado (C.C.S) o Barra Larga Soldada (B.L.S), en definitiva, vía sin juntas cuando:

La vía tiene los carriles unidos por soldadura. Existe un tramo central inmóvil ante temperatura.

variaciones

de

Figura 5.12. Representación de la zona inmovilizada

En el aparatado siguiente se muestra cómo se llega a dicha conclusión.

238


6.3. ANÁLISIS TEÓRICO DE LA VÍA SIN JUNTAS Se distinguen los análisis de esfuerzos y de deformaciones.

6.3.1. ESFUERZOS Supongamos que la BLS funciona en régimen de libre dilatación, en ese caso, los deslizamientos debidos a efectos térmicos que habría que adsorber serían los proporcionados por la ecuación 1. Si pensamos ahora que los carriles soldados están coaccionados, aparecen las tensiones térmicas que proporciona la ley de Hooke (ecuación 2). (1) 'L L D 'T (2) 'L

N L L V SE E

En la realidad, sabemos que ocurren los dos fenómenos a la vez ya que simultáneamente se calienta el carril e impedimos la dilatación, así: (3) L D 'T

N L Æ N S E D 'T SE

(4)

Como se observa, la fuerza N no depende de la longitud de la barra L, sino únicamente de las características intrínsecas del carril y de la variación de temperatura. Además del esfuerzo N (que experimentalmente se ha estimado en 1 t/m de vía), hay que tener en cuenta que la vía está empotrada en las traviesas y éstas en el balasto. El emparrillado proporciona una resistencia que se opone al movimiento de la vía por los esfuerzos de dilatación de los carriles. La figura siguiente muestra un esquema del fenómeno explicado.

239


Figura 5.13. Esquema que relaciona las variaciones de temperatura con el rozamiento que se opone

6.3.2. DEFORMACIONES Los esfuerzos obtenidos en el apartado anterior surgen como consecuencia de la coacción del movimiento. En la Figura podemos apreciar que, además de la zona inmovilizada o zona neutra (tramo central inmóvil ante variaciones de temperatura) existen dos zonas llamadas de respiración. Por definición, en estas zonas el esfuerzo térmico es mayor que la resistencia de la vía, y por lo tanto esta sufre un movimiento. Para calcular el desplazamiento que experimenta un punto de la vía situado a una distancia x medida a partir del inicio de la zona de respiración, se calcula el desplazamiento correspondiente a un elemento diferencial de vía de longitud dx.

240


Recordando la expresión (3) que se obtiene de igualar la fórmula de dilatación libre (1) con la ley de Hooke (2) y aplicándola al elemento diferencial:

Nx N L Æ D 'T dx dx Æ SE SE N N D 'T dx x dx 0 Æ §¨D 'T x ·¸ dx 0 que SE SE ¹ ©

(3)

L D 'T

integrando:

³

P

0

³

P

0

§ X x· ¨ D 'T K ¸ dx ¨ S E ¸¹ © P

§ ©

D 'T dx ³ ¨ K 0

D 'T S E K S E

X

x SE

D 'T S E K · ¸ dx ¹

P

ªD 'T x D 'T x K x 2 º 2 S E» «¬ ¼0

K ·x 2 2·S·E

G

Siendo į el movimiento de la zona de respiración, este valor es la mitad del desplazamiento que tendría con una dilatación libre.

241


Figura 5.14. Distribución de tensiones y movimientos de la vía con BLS

Con esto se prueba que, si se suelda una vía con una longitud suficiente, en los extremos tiene menos dilatación que una barra con dilatación libre. Pero aunque la dilatación sea menor sigue siendo una magnitud apreciable, por lo que tiene que ser absorbida por unas juntas especiales, que reciben el nombre de aparatos de dilatación.

6.4. APARATOS DE DILATACIÓN Los aparatos de dilatación permiten el movimiento relativo longitudinal entre los carriles de la vía con BLS. Son tramos de vía en la que los carriles se cortan de forma oblicua y se apoyan sobre placas.

242


Figura 5.15. Ejemplo de aparato de dilatación. Fuente: Norma NRV 3-3-5.0 de RENFE.

Se colocan aparatos de dilatación en dos casos fundamentalmente: en desvíos y travesías, para protegerlos y en puentes metálicos o de hormigón, para evitar que se produzcan tensiones elevadas en los carriles. Existen varios modelos de aparatos de dilatación, su elección depende del tipo de carril (RN45, UIC54, UIC60), de su ubicación (en desvíos y travesías o en puentes) y del tipo de vía (con o sin balasto).

6.5. CONDICIONES DE IMPLANTACIÓN DE LA B.L.S La vía sin juntas no puede emplearse en cualquier vía ferroviaria, de deben cumplir una serie de condiciones que son las siguientes: 1.

Se debe garantizar que la plataforma sobre la que descansa la vía sea estable. En terrenos arcillosos se puede tener el riesgo de movimientos, esto también ocurre en superestructuras construidas con un balasto que no sea suficientemente resistente, esto implicará su machaqueo, la rotura de cantos, la 243


contaminación del balasto y la inevitable pérdida de estabilidad de la plataforma.

244

2.

Para evitar la pérdida de estabilidad de la plataforma, se requerirá que el balasto esté limpio y sea permeable (tanto en perfil completo como en perfil consolidado)

3.

En esta línea, es fundamental que se realice una adecuada conservación con bateos periódicos, admitiendo unas tolerancias de nivelación y de alineación tales que no impliquen un aumento de tensiones y deformaciones. Hay que tener en cuenta que, ante cualquier desviación, los esfuerzos térmicos pueden no compensarse.

4.

Para evitar el posible pandeo, el peso de la vía debe ser lo más elevado posible. En relación con esto, es más eficaz el empleo de la traviesa de hormigón.

5.

La resistencia de la vía frente al pandeo lateral disminuye en las curvas. Cuanto menor es el radio de la curva, más desciende la resistencia. Por este motivo, en España no se puede implantar B.L.S en tramos con radios menores de 300 m (en el caso de traviesas de hormigón) y con radios menores de 450 m (en el caso de vías sobre traviesa de madera).

6.

Las sujeciones deben ser lo suficientemente resistentes (sobre todo a torsión) como para evitar los movimientos de carriles, además no deben aflojarse con las vibraciones ni con los esfuerzos transmitidos, para esto se usan sujeciones elásticas.

7.

Se debe garantizar una temperatura homogénea en los extremos de la B.L.S para neutralizar las tensiones. De forma natural esto no es posible puesto que la temperatura del ambiente cambia durante el día y de un día a otro. Esto se consigue con las operaciones de neutralización.


7. DISEÑO DE LAS VÍAS SIN JUNTAS El diseño de las vías sin juntas implica el diseño de las soldaduras y de los aparatos de dilatación. Como se verá en el apartado 8. Puesta en obra y control de la vía sin juntas, se distinguen tres fases para la correcta ejecución de una vía sin juntas: soldadura en taller, neutralización de tensiones y soldadura in situ. La soldadura en taller es realizada por profesionales que conocen bien el producto, además esta soldadura no requiere aporte de material por lo que su diseño es, básicamente, la determinación del proceso de ejecución. La fase de neutralización de tensiones depende de las condiciones ambientales. Por último, la soldadura in situ requiere aporte de material cuya naturaleza debe determinarse a priori. Por tanto, cuando nos referimos al diseño de las soldaduras, nos centraremos fundamentalmente en el diseño de la soldadura aluminotérmica que se realiza en obra.

7.1. DISEÑO DE LAS SOLDADURAS Tal y como se explica en el Capítulo 2, se utilizan carriles constituidos por aceros de diferentes calidades y, de acuerdo con ellas, se deben diseñar las diferentes cargas para las soldaduras. Los aceros se clasifican por su composición química y por su carga mínima de rotura a tracción. Recordemos que existen:

2

carril con acero de calidad normal, (CN): 700 N/mm 2 carril con acero naturalmente duro, (ND): 900 N/mm 2 carril con acero extraduro, (ED): 1.100 N/mm

Con arreglo a las calidades de acero indicadas, se utilizan los tipos de cargas:

Carga 700, con ferroaleaciones que proporcionan acero de calidad normal. Carga 900 cuyas ferroaleaciones originan acero de calidad naturalmente dura, resistente al desgaste. Carga 1100 245


La norma N.R.V 3-3-2.1 detallas las características que deben cumplir dichas cargas. Tabla 5.1. Composición química de los aceros y sus características definitorias de las cargas. Fuente: norma N.R.V 3-3-2.1 de RENFE.

7.2. DISEÑO DE LOS APARATOS DE DILATACIÓN Como se ha visto antes, existen varios modelos de aparatos de dilatación, su elección depende del tipo de carril (RN45, UIC54, UIC60), de su ubicación (en desvíos y travesías o en puentes) y del tipo de vía (con o sin balasto). Las tablas siguientes muestran los condicionantes establecidos en la norma de RENFE NRV 3-3-5.0.

246


Aparatos tipo A adaptados

Tabla 5.2. Selección de aparatos de dilatación. Fuente: NRV 3-3-5.0 de RENFE.

247


Tabla 5.3. Selección de aparatos de dilatación en puentes con balasto. Fuente: NRV 3-3-5.0 de RENFE.

248


EJEMPLO 4: En el Ejemplo 1 del Capítulo 2 se deseaba el carril a emplear para una línea de cercanías con unas características determinadas, se reflejaba: “con el radio de la curva (R=1000m) y sabiendo que el tráfico es de 8000 TBR/km día, se deduce que se requiere un carril de calidad normal (CN) 2 de 70 kg/mm ” además se llega a la conclusión de que el carril a emplear será el RN45. Se pide, diseñar la soldadura (carga y aparato de dilatación). 1. Elección de la carga 2

Con un carril de calidad normal (CN) de 70 kg/mm , la carga a utilizar será Carga 700. 2. Selección del aparato de dilatación Según la Tabla 5.39, en vía y con carril RN45, el modelo a emplear será el AD-Mart-45.

8. PUESTA EN OBRA Y CONTROL DE LA VÍA SIN JUNTAS La construcción de la vía sin juntas distingue dos grandes fases: la primera se realiza en taller y la segunda corresponde con la puesta en obra. En taller se obtiene el carril en barra larga gracias a la soldadura eléctrica, en obra se liberan tensiones y se sueldan los carriles in situ mediante soldadura aluminotérmica.

8.1. SOLDADURA ELÉCTRICA EN TALLER Tras la fabricación de carriles por laminación se consiguen barras de unos 30 metros de longitud. Para disponer de barras más largas, antes de su puesta en obra, en taller se realiza una primera soldadura.

249


El tipo de soldadura empleada es la soldadura eléctrica. Se realiza en taller puesto que requiere una potencia importante y combina distintos procesos, condiciones que impiden que se realice in situ. Con este método no hay aportación externa de material y el control del proceso se puede hacer de forma automática, lo que implica ventajas importantes. En taller se consiguen rendimientos que pueden llegar a un máximo de 10 soldaduras por hora, aunque los rendimientos normales están del orden de 6 soldaduras por hora. Los principales inconvenientes de este tipo de soldadura son su alto coste y la pérdida de longitud de carril que implica (se pierden 4 cm por soldadura). El proceso de soldadura eléctrica sigue las siguientes fases: 1. 2.

3. 4.

Se acercan los carriles correctamente alineados y nivelados. Se pasa a través de ellos una corriente de pequeño voltaje (unos 5 voltios) y de gran intensidad (unos 35.000 amperios) y se acercan progresivamente los carriles, se consiguen temperaturas de hasta 800ºC. Se ponen en contacto los carriles y se les aplica una presión quedando definitivamente soldados. Se reperfilan los carriles eliminando las rebabas (desbarbado basto y fino) y puliendo (esmerilado).

Al final del proceso se consiguen barras de unos 200-300 metros que se llevan a pie de obra con trenes carrileros, tal y como se explicó en el Capítulo 2.

8.2. CONTROL DE RECEPCIÓN Cuando estas barras llegan a la obra, es necesario realizar un control de recepción, en el que se debe inspeccionar un porcentaje de barras soldadas, este porcentaje viene dado en la norma NRV 7-3-7.1 de RENFE y varía en función de la velocidad de proyecto de la línea en construcción. Se controlará si existen:

250

defectos en la unión del acero de aportación con el laminado: fusión incompleta del perfil, porosidades, inclusiones de escoria, etc.


discontinuidades en la superficie de rodadura y en la cara activa de la unión soldada: fisuras, entallas, etc. defectos en el cordón de la soldadura defectos en la geometría: fechas, uniones hundidas, carriles inclinados, etc.

Figura 5.16. Defectos de alineaciones en alzado y en planta de las soldaduras eléctricas. Fuente: NRV 7-3-7.1 de RENFE.

Para realizar estas inspecciones, se proponen fichas como la de la figura siguiente así queda constancia de las inspecciones realizadas. Esto facilita la gestión de la calidad en las obras.

251


Figura 5.17. Ficha tipo de control de calidad de las soldaduras eléctricas. Fuente: NRV 7-3-7.1 de RENFE.

Realizado el control de recepción de las barras largas, éstas se instalan provisionalmente en la vía. Se permite el paso sólo de trenes de obra para que la vía se vaya asentando. Antes de realizar la soldadura definitiva se realizan las operaciones de neutralización.

8.3. LA NEUTRALIZACIÓN DE TENSIONES Como se ha explicado antes, se debe garantizar una temperatura homogénea en los extremos de la B.L.S para neutralizar las tensiones. La neutralización se define como el proceso en el que se le da al carril la longitud que teóricamente le correspondería a la temperatura de neutralización. La temperatura de neutralización se define como la temperatura media de la temperatura máxima y mínima del lugar más un resguardo de 5ºC.

TN 252

TMáx TMín 50 2


En España, la temperatura de neutralización está entre 22 y 32ºC. Poniendo en obra los carriles a esta temperatura se limitan las variaciones de tensiones que pueden dar lugar a:

movimientos laterales que producen un serpenteo en el carril que, en ocasiones puede ser apreciado a simple vista y que disminuye notablemente el confort del viajero. tracciones que pueden implicar la rotura del carril en puntos cuya temperatura de fijación haya sido demasiado alta. exceso de compresiones que implica pandeo en la vía si la temperatura en la que se han soldado los carriles ha sido demasiado baja.

Figura 5.18. Fenómeno del pandeo

Las operaciones de neutralización se llevan a cabo en los siguientes pasos: 1. 2. 3.

Aflojar las sujeciones de las cuatro barras situadas entre la cala central, para permitir que los carriles se dilaten. Levantar el carril con gatos o palancas. Colocar rodillos entre el carril y la traviesa (esto permite que el carril no encuentre rozamiento y dilate lo más libremente 253


4.

5.

posible). En ocasiones también se golpea al carril con mazos de madera o de plástico duro para estimular la dilación. Aplicar el método de alargamiento controlado (puede ser por calentamiento solar, por calentamiento artificial y por tracción aplicada). Soldar.

Según los métodos empleados, se procede de forma distinta. En los apartados siguientes se explica cada uno de los métodos.

8.3.1. C ALENTAMIENTO SOLAR El calentamiento solar es la forma natural de conseguir que los carriles de la barra larga provisional alcancen la temperatura que se obtiene como consecuencia de su calentamiento por la acción del Sol. Para ello, es necesario conseguir que, a lo largo de la barra larga provisional, la temperatura sea la misma (por ejemplo que no haya zonas de sombra y soleadas). El método consiste en esperar a que, en algún momento del día, el carril alcance la temperatura de neutralización. Por tanto, previamente, se harán las operaciones preparatorias y, tan pronto se adquiera la temperatura de neutralización, se procederá a su fijación y al soldeo de las barras. Este procedimiento requiere realizar las siguientes operaciones: 1.

2.

3.

4. 5.

254

Operaciones previas: elección de la longitud a liberar, constitución de los puntos fijos y de la cala central, aflojado de la clavazón y eliminación, en lo posible, de rozamientos para permitir la libre dilatación del carril. Dilatación libre del carril (el carril está carril liberado) midiendo constantemente la temperatura del carril (que será distinta a la temperatura de neutralización). Esperar hasta que se calienten las barras hasta la temperatura de neutralización, midiendo y controlando la cala central hasta que alcance la longitud requerida. Quitado de los rodillos y apretado de las sujeciones. Soldeo de las semibarras.


Las principales ventajas de este método son:

su sencillez ya que no se necesitan aparatos especiales. a temperatura l es creciente. hay seguridad de alcanzar la temperatura de neutralización.

El principal inconveniente es la duración del proceso, puede significar un importante aumento en el plazo de ejecución, ya que no se sabe a qué hora se dará la temperatura idónea y, ni siquiera, si ésta se alcanzará a lo largo del día.

8.3.2. C ALENTAMIENTO ARTIFICIAL Este procedimiento se basa en el calentamiento del carril por combustión de un gas (en RENFE se usa el propano) hasta que la barra del carril adquiera una temperatura de neutralización. Este procedimiento tiene dos particularidades como son: la necesidad de marcar referencias en carriles y traviesas para guiarse ya que el equipo circula sobre los carriles, y la necesidad de realizar un control del avance del equipo durante el calentamiento. La figura siguiente muestra el equipo empleado para calentar los carriles.

255


1. Remolque

5. Chasis portabotellas

9. Manómetro

2. Llave de paso

6. Tubo colector de gas propano

10 Válvula general

3. Conexión

7. Manómetro

11. Derivación

4. Tubos de alimentación

8. Manorrductor

12. Contador de velocidad

Figura 5.19. Equipo para calentamiento artificial con propano Fuente: NRV 4-4-2.0 de RENFE.

Las principales ventajas de este método son: su rapidez y su sencillez, además se garantiza un buen reparto tensiones. En cambio, este procedimiento tiene los siguientes inconvenientes:

256

es una operación peligrosa tanto en el manejo como en el almacenaje y transporte de las botellas de gases inflamables.


se necesitan aparatos especiales que son más costosos que los de liberación de tracción. frecuentemente deteriora, a causa del calor, los elementos deformables de la fijación (placas elásticas, plantillas, sectores,...). no se puede efectuar con temperaturas de carril superiores a la de neutralización. resulta más caro en mano de obra y en inversión y mantenimiento de los útiles y maquinaria.

Se ha visto que el procedimiento tiene más inconvenientes que ventajas y, por tanto, se debe evitar en lo posible. Sin embargo se considera necesario cuando la vía está en alineación curva de radio reducido o, cuando se prevea que, a lo largo del día, la temperatura del carril no alcanzará el mínimo necesario de neutralización, lo que suele ocurrir en los días nublados de invierno.

8.3.3. LIBERACIÓN POR TRACCIÓN Este procedimiento se basa en el hecho de que la longitud que adquiere libremente una barra a una determinada temperatura se puede obtener, con temperaturas inferiores, alargando la barra por tracción aplicada en uno de sus extremos si está suficientemente fijo el otro extremo. Las distintas etapas que este procedimiento requiere realizar, son las siguientes: 1.

2. 3. 4. 5.

Operaciones previas: elección de la longitud a liberar, constitución de los puntos fijos y de la cala central, aflojado de la clavazón y eliminación, en lo posible, de rozamientos para permitir la libre dilatación del carril. Diseño del punto de aplicación de los tensores. Dilatación libre del carril. Dimensionado de la cala central y marcado de carril y traviesas. Tensado del carril. En este sentido cabe señalar que, si el carril está totalmente libre, la tracción a aplicar es independiente de la longitud de la barra; sólo es función de la naturaleza del acero del carril y de su sección. En la práctica, para longitudes de barra de unos 500-600 metros la tracción a aplicar a los

257


carriles (T, expresada en toneladas) se calcula con las siguientes fórmulas: o

Carril RN 45: T = 1,378 (TN - TA).

o

Carril UIC 54: T = 1,675 (TN - TA).

o

Carril UIC 60: T = 1,856 (TN - TA)

en las que TN es la temperatura de neutralización y TA corresponde con la temperatura actual del carril.

Figura 5.20. Tensor hidráulico

6. 7.

Soldeo de las semibarras. Apretado de la sujeción.

Las ventajas de este método son:

258

se puede hacer aunque la temperatura del carril no alcance los valores de neutralización. no se necesita más personal que en la liberación solar. La inversión en útiles y maquinaria especiales es menor que en el calentamiento artificial y su mantenimiento no es muy costoso.


Los principales inconvenientes con:

no se puede realizar con temperaturas superiores a las de neutralización, aun cuando se disponga de tensores actos para comprimir. presenta dificultades de ejecución en las curvas de radio reducido.

Como resumen podemos decir que, salvo casos particulares, es recomendable el procedimiento alternativo de liberación por calentamiento solar y por tracción. Es decir, una vez aflojada la clavazón, colocados los rodillos y maceadas las barras provisionales se emplea el procedimiento solar si la temperatura del carril está, en ese momento, próxima a la de neutralización o, en caso contrario, emplean los tensores.

8.4. SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA IN SITU Tras la liberalización de tensiones se procede a soldar las barras largas provisionales in situ. Esto se realiza con soldadura aluminotérmica cuya reacción química es: Fe2O3 + 2Al Æ Al2O3 + 2Fe + calor esto es una reacción exotérmica (alcanza los 3.000ºC) del aluminio con óxido de hierro. Para la realización de esta soldadura se procede de la siguiente manera: 1. 2.

Colocar frente a frente los carriles con la separación adecuada Alinear los carriles

Figura 5.21. Separación y posicionamiento de los carriles Fuente: NRV 3-3-2.1 de RENFE. 259


3.

Colocar los moldes

Figura 5.22. Colocación de moldes

4. 5. 6. 7.

Precalentar Rellenar el crisol con la mezcla de componentes y añadiendo pólvora Cuando se observe el inicio de la reacción se retiran los calentadores Se coloca el crisol sobre el molde

Figura 5.23. Crisol y molde. Fuente: NRV 3-3-2.1 de RENFE. 260


8.

El destapado inferior del crisol no se debe efectuar hasta unos 10 segundos después de acabada la reacción para permitir la decantación total del acero y del corindón.

Figura 5.24. Colada para la soldadura aluminotérmica. Fuente: NRV 3-3-2.1 de RENFE.

9.

Durante tres minutos se deja enfriar la soldadura, hasta unos 7000 a 8000ºC. 10. Quitar moldes y desbarbar 11. Esmerilar, para ello se suelen utilizar esmeriladoras de motor como la de la figura.

Figura 5.25. Esmeriladora a motor (izquierda) y soldadura finalizada (derecha)

261


Para realizar este tipo se soldaduras sólo se requiere pequeña herramienta y un equipo de elementos fungibles. Su rendimiento promedio oscila de 2 a 3 soldaduras por hora. La principal ventaja de este método es que es fácil de ejecutar, en cambio tiene algunos inconvenientes como son la necesidad de aporte de material, se realiza con procesos manuales y se producen tensiones internas mayores. Tras la realización de las soldaduras se procede a su control, completando fichas o estadillos.

262


BIBLIOGRAFÍA

Calvo Poyo, F.J., et al. “Diseño y características de la vía ferroviaria”. Grupo Editorial Universitario, Granada 2005.

Lichtberger, B., “Manual de vía”, Eurail Press, 2007.

Losada, M. “Curso de Ferrocarriles, cuaderno II: Estructura de vía”. Escuela de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid.


263

CAPÍTULO 6 EL SISTEMA DE FIJACIÓN CARRIL-TRAVIESA PABLO M ARTÍNEZ FERNÁNDEZ, CARLA GARCÍA ROMÁN

Capítulo 6. El sistema de fijación carril-traviesa

ÍNDICE DEL CAPÍTULO 1. Introducción ......................................................................................269 2. Definición y funciones de la sujeción ................................................270 2.1. Funciones .................................................................................270 2.2. Caracterización técnica y económica .......................................270 3. Elementos del sistema de fijación ....................................................273 3.1. Placa de asiento .......................................................................273 3.2. Otro pequeño material ..............................................................274 3.2.1. Los antideslizantes........................................................... 274 3.2.2. Antideslizantes o anclas de traviesa ................................ 275 4. Tipos de sujeciones ..........................................................................276 4.1. Según la disposición de elementos básicos .............................276 4.2. Según su naturaleza .................................................................278 4.2.1. Tipos de sujeciones rígidas .............................................. 278 4.2.2. Tipos de sujeciones elásticas .......................................... 280 5. Diseño y elección de las sujeciones .................................................285 6. Control de calidad. Ensayos en sujeciones ......................................286 6.1. Ensayo de resistencia al deslizamiento longitudinal ................. 286 6.2. Ensayo de resistencia a la torsión ............................................287 6.3. Ensayo de fuerza de apriete .....................................................287 6.4. Ensayo de rigidez vertical .........................................................287 6.5. Ensayo de atenuación de cargas de impacto ...........................287 6.6. Ensayo dinámico de carga inclinada ........................................287 6.7. Ensayo de resistencia a las condiciones ambientales adversas ...................................................................................288 267


6.8. Ensayo de resistencia eléctrica ................................................ 288 6.9. Otros ensayos .......................................................................... 288 7. Puesta en obra ................................................................................ 289 Bibliografía ........................................................................................... 290

268


1. INTRODUCCIÓN En este Capítulo se explican las características del sistema de fijación carril-traviesa, cuyo elemento principal son las sujeciones. Se llaman sujeciones a los elementos que fijan el carril y que aseguran que este quede unido de forma estable a la traviesa, es gracias a este elemento que se hace posible la continuidad estructural de vía. Aunque la misión principal de la sujeción es mantener la integridad física del emparrillado frente a las cargas a las que se ve sometido, las sujeciones tienen otras funciones secundarias (eléctricas y mecánicas) que se explican en el Apartado 2. En el Apartado 3 se habla de los diferentes elementos que componen el sistema de fijación, se destaca la importancia de las placas de asiento. A lo largo de la historia se han desarrollado distintos tipos se sujeciones adaptándose a las traviesas que se iban empleado. Para las traviesas de madera se comenzaron usando escarpias, tirafondos y cojinetes, sujeciones llamadas rígidas. Con el paso del tiempo, se comprobó que, debido a la fuerza que ejercen las cargas y el efecto onda al que se ve sometido el carril, las sujeciones rígidas se van desapretando. Para intentar absorber las vibraciones, se diseñaron las sujeciones elásticas (clavos, láminas, clip, etc.). De todos estos tipos de sujeciones se hablará en el Apartado 4. En el Apartado 5, se proponen unos criterios básicos para la elección de las sujeciones. Remarcamos la importancia del control de calidad en las obras, por eso se explican los ensayos que se les deben hacer a las sujeciones en el Apartado 6. Por último se dan algunas pinceladas de la puesta en obra de las sujeciones.

269


2. DEFINICIÓN Y FUNCIONES DE LA SUJECIÓN Se llaman sujeciones a los elementos que fijan el carril y que aseguran que éste quede unido de forma estable a la traviesa, es gracias a este elemento que se hace posible la continuidad estructural de vía.

2.1. FUNCIONES Podemos decir que la misión principal de la sujeción es mantener la integridad física del emparrillado frente a las cargas a las que se ve sometido. Sabemos que, en recta, los trenes transmiten al carril no sólo esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales que se originan en el movimiento de lazo. Además en curva, existen esfuerzos consecuencia de la aceleración. Por ello, ante estos esfuerzos deben oponerse las fijaciones manteniendo los carriles y las traviesas en su posición y garantizando la transmisión de estos esfuerzos a la plataforma. Además de esta función principal, las funciones de las sujeciones se pueden clasificar en dos tipos: funciones eléctricas y mecánicas. De las funciones eléctricas se destaca la necesidad de aportar capacidad de aislamiento eléctrico. Desde el punto de vista mecánico, la función principal es mantener la estabilidad del emparrillado de la vía en tres direcciones: transversal, longitudinal y vertical.

En la dirección transversal, las sujeciones deben diseñarse para evitar vuelco de carril y mantener ancho de vía. En la dirección horizontal o longitudinal, las sujeciones deben impedir el desplazamiento carril-traviesa y traviesa-balasto. En la dirección vertical se debe garantizar la unión de la traviesa con el carril y dar elasticidad al emparrillado.

2.2. CARACTERIZACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA Pero además se debe tener en cuenta el punto de vista técnico. Podemos decir que la calidad de las sujeciones tiene influencia en el comportamiento global del emparrillado, de ahí la importancia de hallar 270


una solución técnica que satisfaga la función principal (unir carril y traviesa) y que, además, no tenga efectos negativos en otros fenómenos que se dan en la vía (pandeo, roturas por frío, aislamiento eléctrico). En la actualidad existen soluciones más o menos adaptadas a las necesidades, no obstante conviene ser receptivo a nuevas formas, siempre con prudencia. Las exigencias técnicas deben tener en cuenta los aspectos económicos. Debemos ser conscientes de que las sujeciones son elementos muy numerosos, en una vía se encuentran unos 6.500 conjuntos de fijación cada 1.000 m, lo que implica un coste elevado (el 11% del coste de la superestructura está debido a las sujeciones). Pero además del coste de construcción, debemos tener en cuenta las operaciones de mantenimiento, por eso se buscan diseños que cumplan con la filosofía de fijar y olvidar (fit and forget), esto es, diseños resistentes que tengan la misma vida útil que las traviesas. Algunos de los diseños más tradicionales como las escarpias o los tirafondos requerían una mano de obra intensiva y su rendimiento de colocación era muy bajo. La exigencias económicas que subyacen (a menor rendimiento, más coste de mano de obra) impulsaron la aparición de nuevos métodos como los enganches fast-clip cuyo montaje se puede automatizar y no requiere casi mano de obra. A modo de resumen podemos enumerar las condiciones técnicas y económicas que debe satisfacer una sujeción. Desde el punto de vista técnico se destaca:

Ofrecer alta resistencia tanto al deslizamiento longitudinal como a la torsión, pero con un esfuerzo de apriete no excesivamente alto. Sencillez que permita que el control de apriete sea fácil, así como que las operaciones de aflojado y reapretado se puedan hacer rápido. Poseer una frecuencia de vibración mayor que la del carril, lo que evita que se produzcan aflojamientos.

271


Poseer una curva elástica de respuesta lo más horizontal posible, esto ayuda a conservar el esfuerzo cuando hay relajamiento en el apretado.

Gráfica 6.1. Curva elástica de respuesta de varias sujeciones

Tener una elevada resistencia a la intemperie que le haga inmune a los efectos climáticos y permita conservar las características.

En relación con los aspectos económicos, podemos decir que se requieren sujeciones con:

272

bajo precio. que tengan pocas piezas, ya que permitirá conseguir un rendimiento de puesta en obra alto por su fácil montaje. a la vez, las sujeciones deben ser difíciles de desmotar para reducir los robos. requerir poca conservación. garantizar la fácil sustitución de piezas. alargar la duración.


3. ELEMENTOS DEL SISTEMA DE FIJACIÓN Los principales elementos del sistema de fijación carril-traviesa son: la placa de asiento y la propia sujeción. No obstante existen, según los tipos de fijación, más elementos como son: elementos de anclaje a la traviesa, de anclaje de la placa, de anclaje a la placa, de anclaje del carril u otros elementos elásticos (aislantes y de guía).

Figura 6.1. Elementos del sistema de fijación

3.1. PLACA DE ASIENTO La placa de asiento es un elemento auxiliar que se coloca debajo del carril. Sus principales funciones son:

reducir la tensión transmitida al carril. proporcionar elasticidad. ser el elemento de relación carril-traviesa, en sujeciones indirectas. proporcionar la inclinación y el sobreancho necesarios. evitar desplazamientos longitudinales.

Existen en el mercado dos tipos de materiales con los que se pueden construir placas de asiento: el metal y las gomas o cauchos. 273


Las placas de asiento metálicas no proporcionan una elasticidad elevada pero son muy útiles para proporcionar el sobreancho necesario que permite al carril apoyarse sobre una superficie mayor. Las placas de asiento de goma o caucho pueden tener funciones distintas según el tipo de traviesa en el que se apoye. Sobre las traviesas de hormigón, sirven para compensar su rigidez y aumentar la elasticidad, así se consigue una capa elástica que asegura una interacción de la vía con el material rodante con un menor número de impactos. Sobre las traviesas de madera, ayudan a disminuir el desgaste mecánico que sufren, las protege de la humedad alargando su vida útil. Los diferentes tipos de sujeciones se explican en el apartado 4.

3.2. OTRO PEQUEÑO MATERIAL Además de las placas de asiento existen otros materiales empleados en las vías como son los antideslizantes y las anclas de traviesa.

3.2.1. LOS ANTIDESLIZANTES Se ha comprobado que los esfuerzos dinámicos a los que se ven sometidos los carriles producen un movimiento de éstos en las juntas, además este movimiento se ve incrementado por la reacción longitudinal que ejerce el roce de la pestaña de los trenes. Para limitar la flexión de los carriles que se produce, se emplean dispositivos antideslizantes. A lo largo de la historia la forma de los antideslizantes ha ido evolucionando hasta alcanzar la mejor disposición. Consiste en un dispositivo en forma de U que calza el patín, tal y como muestra la figura siguiente. En la actualidad no se emplean en la mayoría de los casos.

274


Figura 6.2. Antideslizante

3.2.2. ANTIDESLIZANTES O ANCLAS DE TRAVIESA Se emplean para incrementar la resistencia lateral de la vía en aquellas zonas donde exista riesgo de que se produzca el ripado, estas zonas pueden ser desvíos o curvas de pequeño radio.

Figura 6.3. Antideslizante de traviesa

275


4. TIPOS DE SUJECIONES Se distinguen tres clasificaciones de las sujeciones: Tabla 6.1. Clasificación de las sujeciones

Según disposición de elementos básicos

Directa Indirecta Mixta

Según su naturaleza

Según tipología

Rígida Elástica

Rígidas Clavos elásticos Lámina o grapa Clip Nuevas tecnologías

4.1. SEGÚN LA DISPOSICIÓN DE ELEMENTOS BÁSICOS Según la disposición de elementos básicos las sujeciones se clasifican en: directas, indirectas o mixtas. Las sujeciones directas son aquellas en las que el patín del carril es el elemento que conecta con la sujeción. Es éste el que recibe los esfuerzos.

Figura 6.4. Sujeción directa

276


Las sujeciones indirectas son aquellas que fijan el carril y la traviesa por medio de una placa de asiento metálica anclada a la traviesa. La placa de asiento dota de un ancho extra al carril.

Figura 6.5. Sujeción indirecta

Las sujeciones mixtas son una combinación de las dos anteriores. Se caracterizan por la existencia simultánea de sujeciones directas e indirectas.

Figura 6.6. Sujeción mixta

277


4.2. SEGÚN SU NATURALEZA Según su naturaleza, las sujeciones pueden ser rígidas o elásticas.

4.2.1. T IPOS DE SUJECIONES RÍGIDAS Las sujeciones rígidas son elementos que se calvan o atornillan a la traviesa por un extremo y por el otro se sujetan al patín del carril. Destacan las escarpias, los tirafondos o los cojinetes.

E SCARPIAS Las escarpias son las sujeciones más antiguas, su uso se extendió en países como América, Canadá, Rusia o India. Las escarpias son unas barras de acero con forma puntiaguda en un extremo y con una cabeza ancha en el otro. Son elemento que se clavan en las traviesas de forma sencilla puesto que se ponen a base de golpes con un martillo. La cabeza se apoya en el carril y lo mantiene fijado a la traviesa.

Figura 6.7. Escarpia

La fuerza que se requiere para su arranque es elevada, pero con el paso del tiempo, la fuerza que ejercen las cargas y el efecto onda al que se ve sometido el carril, ocasionan el desapretado de la escarpia.

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Su principal ventaja es una alta resistencia lateral debido al rozamiento del acero con la traviesa. Su principal inconveniente es que la cabeza de la escarpia no se sujeta de forma perfecta al patín produciéndose choques entre el carril y la traviesa. Para limitar el movimiento en carriles continuos soldados se necesita colocar un antideslizante.

T IRAFONDOS Los tirafondos, o también llamados bulón tirafondo, son tornillos de acero galvanizado que se atornillan en las traviesas. Este tipo de sujeciones necesita una gran fuerza de arranque, tanto que puede llegar a arrastrar a la traviesa. Es adecuada en sujeciones directas y su conservación es bastante regular, por eso es muy utilizada en Europa. Igual que en el caso anterior, necesita antideslizante en barra larga soldada.

Figura 6.8. Tirafondos convencionales (izquierda) y tirafondos con sistema VSR (derecha)

C OJINETES Los cojinetes son piezas metálicas en forma de U invertida y que están atravesados por tirafondos. Son adecuados en sujeciones indirectas (a través de placa de asiento).

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Este tipo de sujeciones necesita una gran fuerza de arranque, tanto que puede llegar a arrastrar a la traviesa. Su conservación es bastante regular, por eso es muy utilizada en Europa, sobre todo en puentes. Igual que en el caso anterior, necesita antideslizante en barra larga soldada.

Figura 6.9. Cojinete

4.2.2. T IPOS DE SUJECIONES ELÁSTICAS Las sujeciones elásticas son aquellas que fijan el carril a la traviesa por medio de un elemento que se deforma con las acciones que transmite el carril y recupera su forma primitiva cuando cesan dichas acciones. Es un tipo de sujeción más reciente que las rígidas, existen numerosos tipos: clavos elásticos, láminas o grapas, Clip u otras sujeciones más nuevas.

C LAVOS ELÁSTICOS Los clavos elásticos tienen la ventaja de las escarpias (alta resistencia lateral debido al rozamiento del acero con la traviesa) y un comportamiento elástico que absorbe las vibraciones.

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Figura 6.10. Sujeción elástica, sistema DSF 18

En el mercado hay varios tipos de modelos, como por ejemplo los llamados: DÖRKEN, TIPO A, TIPO J – FLEX, TIPO T – FLEX, etc.

L ÁMINA O GRAPA Las láminas o grapas elásticas son elementos metálicos que comprimen el patín del carril contra la traviesa por medio de un tornillo que queda aislado de ella mediante un casquillo. Este aislamiento eléctrico se completa con la placa de caucho donde asienta el carril. Los sobreanchos de vía en las curvas de pequeño radio se consiguen utilizando grapas elásticas de diferentes dimensiones, que hacen variar el ancho de la vía en curvas.

Figura 6.11. Grapa elástica tipo RN 281


La fijación tipo RN era la más usada con las traviesas de hormigón del mismo nombre. Sus elementos principales eran cinco: bulón con tuerca, placa elástica, grapa, casquillo y sector de caucho, tal y como muestra la figura siguiente.

Figura 6.12. Componentes principales de la sujeción RN

No obstante tenía dos inconvenientes fundamentales: presentaba problemas de aislamiento eléctrico de los carriles y no era capaz de mantener invariable el ancho de la vía. Además, con la mejora de las características técnicas de los trenes, aumentó el tráfico y la velocidad así como el volumen de las cargas transportadas, esto trajo consigo problemas de montaje y conservación y un mal comportamiento de estas sujeciones a la fatiga. A principio de los años 90 comenzó a ser sustituida por otras sujeciones como la P-2 de RENFE. La sujeción P-2 es una variante de la RN, diseñada para resolver los problemas que presentaba esta sujeción (aislamiento eléctrico y ancho de vía) aunque solventa bien el primero ya que incorpora una pieza aislante, no alcanza a resolver el segundo totalmente, por eso se considera a extinguir.

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Figura 6.13. Componentes de la grapa P-2

Más tarde nace la sujeción J-2 que es una variante de la RN que tiene en cuenta las modificaciones introducidas en la sujeción P-2, posibilitando una significativa mejora de éstas, lo que implica un aumento de su vida útil. Resuelve los problemas relativos a aislamiento eléctrico y supera el comportamiento de ésta última ante solicitaciones de fatiga debidas a la acción conjunta de la fuerza de apriete y de las cargas sobre la vía, garantizando así la invariabilidad del ancho siempre que la traviesa se encuentre en condiciones adecuadas y con la riostra en perfecto estado. En paralelo al diseño de las traviesas P-2 y J-2 de RENFE, países como Francia diseñaron las llamadas sujeciones Nabla que también fueron adoptadas en España. La sujeción Nabla resuelve los defectos relativos al aislamiento eléctrico de los carriles y a la inalterabilidad del ancho de vía que presentaban las anteriores. La adopción de la sujeción Nabla permite fabricar las traviesas con mayor sencillez dejando embebidas en su masa de hormigón las vainas de los tirafondos que permiten alojar el tornillo de anclaje de la sujeción. 283


C LIP Las sujeciones tipo clip están constituidas por un elemento de anclaje a la traviesa en el que se inserta un clip elástico (barra de acero de sección circular con una forma redondeada) que oprime el patín del carril contra ella. Entre el clip y el patín se puede colocar una pieza aislante para evitar la existencia de circuitos eléctricos no deseados. La principal ventaja de esta sujeción consiste en la sencillez de su montaje y desmontaje. Existen numerosos modelos de enganches clip como son los modelos de las marcas Vosloh o Pandrol: SKL 12, SKL 14, SKL 15, SISTEMA 336, sistema Pandrol FAST CLIP, etc.

Figura 6.14. Sistema Pandrol FAST CLIP

O TRAS SUJECIONES Existen otras sujeciones que se han creado en los últimos años. Por ejemplo la marca Pandrol, creó el modelo Vanguard en que el carril no apoya en la traviesa, está suspendido.

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5. DISEÑO Y ELECCIÓN DE LAS SUJECIONES La elección del tipo de sujeción depende de diversos factores entre los que destacamos el tráfico y la geometría de la vía. Desde el punto de vista de la geometría de la vía, puesto que las sujeciones son elementos que fijan el carril con la traviesa, es lógico pensar que su elección dependerá de las características de estos dos elementos. Aunque existen muchas normas (serie N.R.V 3-2-X.X) que regulan las características, forma y dimensiones de los tipos de sujeciones, la tabla siguiente muestra un resumen de las sujeciones más empleadas para los distintos tipos de traviesas y carriles. Tabla 6.2. Criterios de selección de la sujeción en función del carril y la traviesa

Tipo de traviesa

Carril RN45

Carril UIC-54

Madera

SKL

SKL

PB-91

Nabla

Nabla

BR-94

Nabla

Nabla

Carril UIC-60

MR-93, MR-00

Vossloh

Vossloh

PR-90, PR-01

Vossloh

Vossloh

AI-89, AI-90

Vossloh

Vossloh

STEDEF

Nabla

Nabla En Alta Velocidad

Fast-Clip

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EJEMPLO 5: En el Capítulo 2, se concluyó que, para la línea del Ejercicio 1, el perfil comercial más adecuado era el RN 45. En el Capítulo 3 se dijo “hemos elegido las traviesas PB-91 y BR-94, en función de los precios ofertados por los proveedores de material de vía, se elegiría la traviesa más barata”. En este caso, se pregunta ¿cuál será la sujeción más adecuada?

Atendiendo a la Tabla 6, con las traviesas PB-91 o BR-94 y el carril RN45, se empleará sujeción Nabla.

6. CONTROL DE CALIDAD . ENSAYOS EN SUJECIONES Los ensayos en sujeciones vienen especificados en la norma UNE-EN 13146-1:2003 Métodos de ensayo de los sistemas de fijación. Las empresas suministradoras de material ferroviario suelen tener certificados sus sistemas de calidad, para ello, se deber realizar un control de la producción de forma periódica donde se documente la realización y se verifique que los resultados son correctos.

6.1. ENSAYO DE RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO LONGITUDINAL Para la comprobación de la aptitud de la fijación frente a solicitaciones en dirección longitudinal, se efectúa el ensayo de resistencia al deslizamiento longitudinal al conjunto carril-sujeción-traviesa. El ensayo consiste en aplicar en uno de los extremos del carril (sujetado a la traviesa), una carga longitudinal de tracción en escalones de carga. La traviesa debe tener restringidos todos sus movimientos. Con este ensayo se determinar la carga longitudinal mínima que se puede aplicar para iniciar el deslizamiento o desplazamiento no elástico del carril mediante una curva de carga – desplazamiento que se compara con una especificación mínima dada. 286


6.2. ENSAYO DE RESISTENCIA A LA TORSIÓN El ensayo consiste en aplicar una carga transversal al patín de una barra de carril fijo a una traviesa mediante una sujeción. La traviesa tiene restringidos todos sus movimientos. Se aplica la carga transversal hasta que el movimiento relativo entre el carril y la traviesa 1,5º. El par necesario para conseguir un ángulo de deformación de 1º se obtiene de la curva que genera el ensayo.

6.3. ENSAYO DE FUERZA DE APRIETE Este ensayo consiste en determinar la fuerza de apriete del sistema de sujeción, midiendo la fuerza necesaria para separar la barra de carril de la superficie donde se encuentra apoyado. La sujeción debe oponer una resistencia elástica a los movimientos relativos en sentido vertical: debe ser flexible frente a la deflexión del carril y rígida frente al levantamiento.

6.4. ENSAYO DE RIGIDEZ VERTICAL Se aplica una carga vertical P en la línea del eje central de la cabeza del carril, perpendicular a su superficie de apoyo, y se mide la deformación que se produce en el elemento de apoyo.

6.5. ENSAYO DE ATENUACIÓN DE CARGAS DE IMPACTO Se aplica una carga de impacto dejando caer una masa sobre la cabeza del carril sujeto a una traviesa de hormigón. El efecto del impacto se mide como una deformación en la traviesa.

6.6. ENSAYO DINÁMICO DE CARGA INCLINADA Este ensayo está desarrollado para la determinación del comportamiento a largo plazo de los sistemas de sujeción del carril mediante la aplicación de ciclos repetitivos de carga representativos de los producidos en la vía. El ensayo consiste en aplicar una carga cíclica de amplitud constante P 6 hasta alcanzar 3x10 ciclos por medio de un actuador simple en la cabeza del carril.

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6.7. ENSAYO DE RESISTENCIA A LAS CONDICIONES AMBIENTALES ADVERSAS Este ensayo especifica un procedimiento para conocer los efectos de la exposición a condiciones medioambientales severas en los sistemas de sujeción, incidiendo sobre la corrosión de sus elementos metálicos, en tal sentido, debe exigirse a la sujeción la mayor durabilidad posible. Se consideran como condiciones climáticas adversas: hielo, humedad, radiaciones ultravioletas, etc. Además, las fijaciones se ven sometidas a las formas de contaminación propias de cada lugar (niebla salina o cualquier elemento corrosivo). Para la comprobación de la resistencia de la fijación frente a los efectos de condiciones atmosféricas extremas se somete al conjunto de la sujeción al ensayo de lluvia salina.

6.8. ENSAYO DE RESISTENCIA ELÉCTRICA La fijación debe proporcionar un aislamiento de la vía de forma que no se perturbe el funcionamiento normal de las instalaciones eléctricas y de señalización independientemente de las condiciones atmosféricas. Para la comprobación de las propiedades aislantes de la fijación se efectúa el ensayo de resistencia eléctrica al conjunto del sistema. Se mide la resistencia eléctrica entre dos puntos de carril fijos a la traviesa mediante la sujeción a ensayar, mientras el conjunto completo de traviesa, sujeciones y carril, es humedecido mediante un rociado de agua.

6.9. OTROS ENSAYOS Además se pueden realizar otros ensayos como:

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Resistencia a la fatiga Resistencia al arranque Ensayo tensión–deformación Sobreancho sin carga (v)


7. PUESTA EN OBRA Una vez en obra, recibido el material y comprobado que cumple con las especificaciones técnicas (control documental o inspección visual) se procede a su puesta en obra. Es evidente que la puesta en obra de las sujeciones depende de su tipo. No es lo mismo, ni se invierte la misma mano de obra en colocar una sujeción rígida tipo escarpia que en colocar una sujeción tipo clip. En el primer caso, el proceso es totalmente manual, en el segundo caso se puede automatizar y no requiere casi mano de obra. Puesto que en la actualidad los enganches clip son los más usados, se explica someramente su colocación. El clip elástico se coloca paralelamente al carril, introduciendo su extremo en el alojamiento del elemento de anclaje por golpe con un martillo o mediante presión con herramientas especiales. La figura siguiente muestra un tipo de maquinaria especial empleada para el montaje.

Movimiento de vaivén que aprieta las sujeciones

Se combina con un movimiento de avance sobre los carriles Figura 6.15. Máquina de montaje de fijaciones fast-clip

289


BIBLIOGRAFÍA

290

García Díaz-De-Villegas, J, M., “Ferrocarriles. Apuntes de clase”. INCAN - Santander, 1995.

León Rodríguez, C.E., “Apuntes Transporte Ferroviario”. Facultad de Ingeniería, Universidad de la República, Uruguay. 2010.



CAPÍTULO 7 APARATOS DE VÍA PABLO SALVADOR ZURIAGA, IGNACIO VILLALBA SANCHIS

Capítulo 7. Aparatos de vía

ÍNDICE DEL CAPÍTULO 1. Introducción ......................................................................................295 2. Definición y funciones .......................................................................295 3. Clasificación de aparatos..................................................................296 3.1. Aparatos de vía sencillos ..........................................................296 3.1.1. Desvíos ............................................................................ 297 3.1.2. Travesías ......................................................................... 297 3.2. Aparatos de vía compuestos y de maniobras ...........................298 3.2.1. Bifurcaciones y escapes .................................................. 298 3.2.2. Otros aparatos para maniobras ....................................... 299 4. Elementos del desvío .......................................................................300 4.1. Cambio .....................................................................................300 4.1.1. Las agujas ........................................................................ 302 4.1.2. Las contraagujas .............................................................. 304 4.1.3. Otros elementos ............................................................... 304 4.2. Cruzamiento .............................................................................304 4.2.1. Elementos y fabricación ................................................... 304 4.2.2. Tipos de cruzamientos ..................................................... 305 5. Diseño de los desvíos ......................................................................307 5.1. Conceptos básicos ...................................................................307 5.2. Encaje del desvío y definición de parámetros ...........................308 5.2.1. Cotas dependientes de la propia línea ............................. 310 5.2.2. Cotas dependientes de los desvíos comerciales ............. 310 5.3. Pasos para el diseño de los desvíos ........................................333 Bibliografía............................................................................................336

293


1. INTRODUCCIÓN En los capítulos anteriores se ha señalado que una de las características de las líneas ferroviarias es la unidireccionalidad y el guiado. Los aparatos de vía son los dispositivos que permiten guiar a los vehículos facilitando el cambio de dirección, son pues elementos muy importantes en el conjunto de las líneas. Los Apartados 2 y 3 explican conceptos generales: se definen los distintos aparatos de vía, se explican sus funciones y se clasifican en función de distintos criterios. Es importante conocer cada uno de los elementos de un desvío: el cambio y el cruzamiento son los más importantes. Además cada uno de ellos tiene componentes particulares tal y como se explica en el Apartado 4. Con objeto de darle una aplicación práctica a este libro, en el Apartado 5 se dan unas pinceladas del diseño y dimensionamiento de los desvíos. No obstante cabe decir que un diseño exhaustivo, tal y como se hace en un proyecto, tiene un grado de complejidad mayor del que aquí se expone. A diferencia de otros capítulos, en este no se tratan temas de conservación ni de mantenimiento de desvíos. No es que se haya pasado por alto, sino que las técnicas de reparación actuales (por soldadura) no dan buenos resultados, siendo la única solución empleada la sustitución de todo el cruzamiento.

2. DEFINICIÓN Y FUNCIONES Son aparatos de vía aquellos dispositivos que permiten el cambio de dirección en una vía férrea. Estos dispositivos permiten asegurar la continuidad de la vía en conexiones de diversas trayectorias, con la máxima seguridad.

295


Para su diseño se deben considerar muy diversos factores como son todos aquellos relacionados con la seguridad, criterios de confort y velocidad de paso. En el caso de la seguridad, la correcta disposición y maniobra de un desvío es fundamental. Si no se opera correctamente se puede producir el descarrilo. Cuando un tren llega a un desvío, si este ha sido debidamente maniobrado, la circulación encontrará la vía abierta y tomará la dirección impuesta por la posición de las agujas, en caso contrario la llanta pasará entre los elementos del desvío y si ésta retrocede se puede producir el descarrilo. Desde el punto de vista del confort, los desvíos suponen una discontinuidad en el camino de rodadura, se debe cuidar el diseño para que no se perturbe excesivamente la comodidad de los pasajeros. En cuanto a los vehículos, cabe recordar que su comportamiento cinemático y dinámico depende en gran medida de los aspectos geométricos y físicos de la vía. Según la forma del desvío variará la velocidad a adoptar en la vía desviada. Desde el punto de vista de la forma del perfil a adoptar, se debe tener en cuenta el guiado (forma de la pestaña, conicidad, etc.). En cuanto a la propia infraestructura se deben tener algunas consideraciones. La más importante de ellas es la seguridad, como se ha explicado, pero además deben conseguirse aparatos de vía fácilmente maniobrables (de accionamiento sencillo) y conservables.

3. CLASIFICACIÓN DE APARATOS Fundamentalmente los aparatos se clasifican según su sencillez, así se distinguen aparatos de vía sencillos y compuestos.

3.1. APARATOS DE VÍA SENCILLOS Existen dos tipos de aparatos de vía sencillos: los desvíos y las travesías. 296


3.1.1. DESVÍOS Los desvíos son aquellos aparatos de vía que permiten la separación de una vía férrea en dos o varias, cuyos ejes se acuerdan tangencialmente con el de la primera o formando un ángulo muy pequeño con él (GARCÍA DÍAZ-DE-VILLEGAS, J. M., et al 1995). Son elementos que sirven para conectar dos vías. La vía principal o directa es aquella que tiene una dirección primaria, la vía desviada es una ramificación de la vía principal o sirve para comunicarla con vías auxiliares como las vías de apartado. La separación y el cruce de los hilos de ambas vías se realizan gracias al cambio y al cruzamiento. El cambio es el elemento que permite la separación dos a dos, de los carriles de las dos vías. Los carriles de unión, son carriles intermedios que conectan el cambio con el cruzamiento. Por último, el cruzamiento es el elemento que materializa el corte del carril derecho e izquierdo. En el apartado 4 se explica de forma detallada cada uno de estos elementos del desvío.

Vía principal o directa

Vía desviada

Figura 7.1. Desvío y sus partes

3.1.2. T RAVESÍAS Las travesías permiten el cruce de dos vías, son puntos en los que los ejes de dos vías se cortan. Como se ha comentado, los desvíos están formados por un cambio y un cruzamiento sencillo, unidos por carriles intermedios, por el contrario, las travesías son una combinación de dos cruzamientos simples y dos cruzamientos dobles. 297


Figura 7.2. Posibles trayectorias de una travesía

3.2. APARATOS DE VÍA COMPUESTOS Y DE MANIOBRAS 3.2.1. BIFURCACIONES Y ESCAPES Estos aparatos tienen por misión unir dos vías adyacentes. Los escapes simples o bifurcaciones permiten la unión de vías en un sentido.

Figura 7.3. Esquema de un escape

Los escapes cruzados y en oposición permiten la unión en más de un sentido.

Figura 7.4. Dos desvíos simples (bifurcaciones) con una travesía central

298


Figura 7.5. Dos desvíos simples (bifurcaciones) y dos dobles (travesías) con una travesía central de cruce

3.2.2. OTROS APARATOS PARA MANIOBRAS Además de los ya mencionados, existen otro tipo de aparatos que permiten el paso y la maniobra entre vías. Algunos de ellos son: a)

Lazos de vía: Son vías con forma circular en planta cuya misión principal es facilitar el cambio de sentido de los trenes.

b)

Triángulos de vía: Son vías unidas por desvíos con una disposición triangular en planta, permiten también el cambio de sentido de los trenes. Su principal inconveniente es la gran cantidad de superficie que necesitan.

c)

Plataformas giratorias: Son dispositivos que tienen una forma de abanico en planta. Una plataforma central permite orientar el material móvil en la dirección deseada. Fueron muy utilizados en depósitos de locomotoras ya que ocupan muy poco espacio, su principal inconveniente es que sólo pueden cambiar un vehículo cada vez. En la actualidad estos aparatos son cada vez menos utilizados.

299


Figura 7.6. Aparatos de vía de maniobras

4. ELEMENTOS DEL DESVÍO 4.1. CAMBIO Los componentes fundamentales del cambio son las agujas y las contraagujas. Las agujas son unos elementos móviles que se obtienen a partir de perfiles laminados de sección más o menos similar a los carriles. Las contraagujas son los carriles adyacentes a las agujas.

300


Contraaguja

Aguja

Figura 7.7. Elementos del desvío

La aguja y la contraaguja pueden estar en contacto o no. En el primer caso se guía a la rueda por la vía desviada y en el segundo se deja paso libre a la pestaña de la rueda siguiendo la trayectoria principal. Cabe señalar que, además de la aguja y la contraaguja se distingue: la punta (extremo mecanizado y libre de la aguja), el talón (extremo opuesto, no mecanizado y que se conecta con los caniles de unión) y el espadín (parte de la aguja mecanizada también llamada aguja).

301


Figura 7.8. Esquema de las partes de un desvío

4.1.1. L AS AGUJAS Como se ha dicho antes, las agujas son unos elementos móviles que se obtienen a partir de perfiles laminados. La fabricación de las agujas ha sido fundamentalmente de dos tipos a lo largo de la historia: agujas fabricadas con carril cepillado y con carril normal. La fabricación con carril cepillado consiste en tomar un carril ordinario e ir limando o cepillando adecuadamente la cabeza y el patín hasta obtener la forma deseada. Esta técnica dejó de usarse ya que tenía varios inconvenientes: el resultado era una contraaguja débil ya que se obtenía recortando el patín; no ofrecían suficiente estabilidad y solidez para resistir ni los choques laterales ni las fuerzas verticales a que están sometidas y tenía tendencia a la separación. La fabricación con carril normal consiste en realizar los elementos con las técnicas de laminado habituales, creando un producto con la forma deseada (generalmente de menor altura y mayor robustez). Las agujas tienen una longitud 9 a 40 m que debe ser suficiente como para que la fijación del talón de la aguja se haga de tal forma que establezca la continuidad con el carril de unión y, a la vez, permita la rotación de la aguja, impidiendo su levantamiento o corrimiento longitudinal y manteniendo la debida separación entre la aguja y la 302


contraaguja, esto es el comportamiento mecánico. Según su forma de trabajar se distinguen las agujas articuladas o flexibles. Las agujas articuladas obtienen la articulación necesaria mediante el empleo de una junta ordinaria cuyas bridas se aflojan y permiten el juego necesario para la maniobra.

Figura 7.9. Aguja articulada. Fuente: García Díaz-de-Villegas.

En las agujas flexibles la aguja se desplaza por flexión lateral, estando su talón empotrado en el correspondiente carril contiguo mediante soldadura.

Figura 7.10. Aguja flexible. Fuente: García Díaz-de-Villegas.

303


4.1.2. L AS CONTRAAGUJAS Las contraagujas son los carriles adyacentes a las agujas, pueden usarse carriles de sección normal o de sección especial. Se distinguen varios componentes:

Cojinete de resbalamiento o placa resbaladera: placa que sirve para facilitar una superficie sobre la que se desplaza la aguja. Sujeción especial para contraagujas.

4.1.3. OTROS ELEMENTOS Además, para poner en marcha el mecanismo, son necesarios: motores, timonería, tirantes y transmisión.

4.2. CRUZAMIENTO 4.2.1. ELEMENTOS Y FABRICACIÓN Tal y como se explicó, el cruzamiento es el elemento del desvío donde se produce la superposición de los caminos recorridos. Sus elementos fundamentales son cuatro: el corazón, las patas de liebre, la laguna y el contracarril.

Figura 7.11. Esquema del cruzamiento

304


El corazón es la intersección de los dos carriles formada por el cruce de los hilos de la vía directa y de la vía desviada. Es la parte del cruzamiento más solicitada, por los continuos golpes que recibe.

Figura 7.12. Corazón del cruzamiento

Se llaman patas de liebre a la prolongación que presentan los carriles para permitir sostener a la rueda, rodando por el extremo exterior de la llanta cuando la pestaña atraviesa la laguna. La laguna es una discontinuidad entre los carriles que se introduce para permitir el paso de las pestañas de las ruedas. Los contracarriles tienen por misión asegurar el guiado doble de la rueda de un eje al atravesar la opuesta la laguna, evitando el descarrilamiento del vehículo y el deterioro del corazón.

4.2.2. T IPOS DE CRUZAMIENTOS Se distinguen cuatro clasificaciones de cruzamientos atendiendo a diversos criterios:

Atendiendo al trazado geométrico de los bordes activos de su corazón o

Cruzamiento recto: aquel que tiene los dos bordes activos del corazón rectilíneos.

305


o

306

Cruzamiento curvo: aquel que tiene al menos un borde activo del corazón curvo.

Atendiendo al ángulo del cruzamiento o

Cruzamiento agudo: aquel que tiene la tangente del ángulo del corazón inferior a la unidad.

o

Cruzamiento obtuso: aquel que tiene la tangente del ángulo del corazón superior a la unidad.

Atendiendo a la tipología constructiva del corazón o

Cruzamiento ensamblado: aquel cuyo corazón se realiza mediante trozos de carril y piezas forjadas o moldeadas ligadas por medio de bulones, tornillos o grapas (Ilustración 2).

o

Cruzamiento monobloque: aquel cuyo corazón se ha realizado mediante la soldadura de carriles o el moldeo o forja de una única pieza.

o

Cruzamiento con corazón con bloque central: aquel constituido por una pieza central de acero forjado (más resistente a los golpes y al desgaste) al que se le sueldal carriles de conexión.

Atendiendo a la movilidad de las piezas del corazón o

Cruzamiento móvil: aquel que permite el movimiento de la punta del corazón o de las patas de liebre para eliminar la laguna.

o

Cruzamiento fijo: aquel que no permite el movimiento.


5. DISEÑO DE LOS DESVÍOS El diseño de los desvíos implica definir las características geométricas globales que permita determinar las cotas básicas de la geometría.

5.1. CONCEPTOS BÁSICOS Los desvíos se caracterizan por el ángulo de cruzamiento () también llamado ángulo de corazón. Se define como el ángulo que forman los dos hilos de las vías que se cortan, en el caso de desvíos curvos es el ángulo que forman las tangentes en el talón del corazón. Normalmente, los desvíos se nombran por el índice o número del desvío (1:n) siendo

n

1 tan D

Figura 7.13. Parámetros definitorios de un desvío

Otros parámetros importantes son:

a: ancho de vía

dFD: distancia mínima entre los dos talones de corazón de los carriles que permite que haya una sujeción independiente sobre la traviesa de junta. 307


Tabla 7.1. Valores de la dFD

Ancho de vía (a)

dFD (m)

Ancho internacional 1435 mm

1,75

Ancho ibérico 1668 mm

1,95

R: radio de la vía desviada medida con respecto al borde activo del carril exterior.

L: distancia entre A y B medida sobre la vía directa, siendo: o o

Punto A: punto de tangencia de las dos alineaciones Punto B: punta matemática del corazón

De los parámetros básicos definidos, hay algunos que son valores conocidos (como el ancho de vía (a) y dFD) y otros que se deben diseñar (como el número del desvío (n), el radio de la vía desviada (R) y la distancia (L)).

5.2. ENCAJE DEL DESVÍO Y DEFINICIÓN DE PARÁMETROS Es evidente que todo desvío tiene una misión en la vía, además existen múltiples situaciones de colocación de desvíos que vienen condicionadas por unas cotas fundamentales para encajar dicho desvío en su posición. Dentro de los desvíos, son muy frecuentes los desdoblamientos en dos vías rectas paralelas, los desdoblamientos en dos vías rectas no paralelas, aunque también existen escapes, haces, etc.

Figura 7.14. Tipos de desvíos

308


Cada uno de estos esquemas debe estudiarse de forma detallada determinando cada una de las relaciones. Cabe decir que los más frecuentes son aquellos desvíos en los que las vías son tangentes bien en recta o bien en curva circular. Por tanto, habrá que determinar los puntos de tangencia, relaciones de radios, etc. A modo de ejemplo, se muestran unas figuras en las que se identifican los parámetros a diseñar.

Figura 7.15. Parámetros geométricos de algunos tipos de desvíos o haces Fuente: García Díaz-de-Villegas. 309


De todas las cotas que se observan en las distintas figuras, podemos distinguir dos tipos: 1. 2.

Cotas que dependen de las características propias de la línea como son la velocidad de circulación, radios de las vías, etc. Cotas que dependen del diseño geométrico de los desvíos comerciales.

5.2.1. COTAS DEPENDIENTES DE LA PROPIA LÍNEA Uno de los aspectos que condiciona la elección de un desvío es la velocidad de circulación de la vía desviada (V). Conocida esta velocidad máxima de circulación y sabiendo que el peralte es nulo, el radio de la vía desviada R se calcula con la siguiente expresión:

R

V2 12,96·acsc

siendo: V: velocidad de circulación de la vía desviada (km/h) acsc: aceleración centrífuga sin compensar máxima admitida (en 2 m/s ). La tabla siguiente recoge los valores de la aceleración centrífuga sin compensar de RENFE. Tabla 7.2. Valores de la aceleración centrífuga sin compensar de RENFE

Tipo de tren

acsc

Tipo A

1 m/s

Tipo B

1,2 m/s

Resto

0,65 m/s

2 2 2

5.2.2. COTAS DEPENDIENTES DE LOS DESVÍOS COMERCIALES Tras conocer el radio R, se debe acudir a los catálogos de desvíos comerciales con objeto de encontrar un desvío a emplear. En las páginas siguientes se recogen los distintos tipos de desvíos de RENFE (norma N.R.V 3-6-0.1). 310


DESVIOS VIA ANCHA (1.668) – CARRIL UIC - 54 CARACTERÍSTICAS

G E N E R A L E S

TIPO A

TANGENTE DEL ANGULO DE CRUZAMIENTO

C.RECTO: 0,11 Y 0,09 C.CURVO: 0,085

ANCHO DE VIA EN EL CRUZAMIENTO

1.668 mm:tg. 0,11 Y 0,09 1.665 mm:tg 0,085

TIPO B

TIPO C

C.RECTO: 0,11, 0,09 C.RECTO: 0,11, Y 0,075 0,09 Y 0,075 C.CURVO: 0,09 Y C.CURVO: 0,09 0,11 1.668 mm

1.668 mm

VELOCIDAD MÁXIMA DE PASO POR VIA DIRECTA

140 km/h

160 km/h

200 km/h EXCEPTO EN tg. 0,11 QUE ES DE 160 km/h

TRAVIESAS

MADERA

MADERA

MADERA

EN SEMI ABANICO

EN ABANICO

PERPENDICULAR A DISPOSICIÓN DE LA VÍA GENERAL Y A LA BISECTRIZ TRAVIESAS DEL CRUZAMIENTO RÍGIDA EN tg. 0,11 Y 0,09 TIPO DE RÍGIDA-ELASTICA SUJECIÓN PANDROL EN tg. 0,085 JUNTAS EMBRIDADAS EN tg. RELACIÓN CON 0,11 Y 0,09 VÍAS INCORPORABLE A ADYACENTES LA VÍA SIN JUNTAS EN tg. 0,085 CIRCULAR DE 2 RADIOS PARA tg. GEOMETRÍA DE LA VÍA DESVIADA 0,11 Y 0,09 EN DESVIO CIRCULAR DE 1 RECTO RADIO PARA tg. 0,085 INCLINACIÓN DE CARRILES

1:20

PROTECCIÓN SÍ, tg 0,11 Y 0,06 CON APARATO NO, tg. 0,085 DE DILATACIÓN VELOCIDAD MÁXIMA POR VIA 30, 30 Y 60 km/h DESVIADA V

RÍGIDA COMBINADA CON ELÁSTICA INDIRECTA SKL-12

ELÁSTICA INDIRECTA SKL-12 Y SCHWIHAG

INCORPORABLE A LA VÍA SIN JUNTAS SOLDABLE (BARRA LARGA) CIRCULAR DE 2 RADIOS PARA tg. 0,11 CR, 0,09 CR Y 0,11 CC. CIRCULAR DE 1 RADIO PARA tg. 0,09 CC Y 0,075 CR

CIRCULAR DE 1 RADIO

1:20

1:20

NO

NO

45, 50, 60 Y 60 km/h

45, 50, 60 Y 60 km/h

311


TIPO DE AGUJAS

C A M B I O

C R U Z A M I E N T O

312

C O R A Z Ó N

ELÁSTICAS

ELÁSTICAS

TRAZADO EN AGUJA

SECANTE EN tg. 0,11 Y 0,09 TANGENTE EN tg. 0,085

PERFIL DE AGUJA

CARRIL NORMAL CON REFUERZO

SECANTE EN tg. 0,11 Y 0,09 TANGENTE EN tg. 0,075 Y 0,09 CC CARRIL NORMAL CON REFUERZO O ESPECIAL ALTO SIMÉTRICO

SUJECIÓN

TIRAFONDOS tg. 0,11 Y 0,09 TIRAFONDOS CON ARANDELAS GROWER tg. 0,085

TIRAFONDOS CON ARANDELAS GROWER

SUJECIÓN ELÁSTICA INDIRECTA SCHWIHAG Y SKL12

DISPOSITIVO DE PROTECCIÓN CONTRA EL DESCUADRE

ALMOHADILLAS

ALMOHADILAS

MUÑÓN Y HORQUILLA

RELACIÓN DE LA AGUJA EN SU TALÓN CON VÍAS ADYACENTES

JUNTAS EMBRIDADAS tg. 0,11 Y 0,09 O SOLDADAS tg. 0,085

SOLDADA

SOLDADA A LA AGUJA FORJADA

TIPO

MONOBLOQUE DE ACERO AL MANGANESO

MONOBLOQUE DE ACERO AL MANGANESO O DE BLOQUE CENTRAL DE ACERO AL MANGANESO

DE BLOQUE CENTRAL DE ACERO AL MANGANESO

RELACIONES CON CARRILES ADYACENTES

EMBRIDADO CON SUBTIPO B1: COLAS DE MILANO SOLDADO tg. 0,11 Y 0,09 SUBTIPO B2: JUNTA A TOPE Y ENCOLADO TORNILLOS SUBTIPO B3: ALTA RESISTENCIA ENCOLADO CORTO tg. 0,085

TANGENTE

BAJO ASIMÉTRICO

SOLDADO

RÍGIDA DIRECTA TIRAFONDO

ELÁSTICA INDIRECTA SKL-12

ELASTICA INDIRECTA SKL-12

UIC-33

UIC-33

UIC-33

RELACIÓN CON EL CARRIL

ACODALADO

-

SUJECIÓN DEL CONTRACARRIL

CON SOPORTES A LA TRAVIESA

CON SOPORTE ÚNICO CARRILCONTRA-CARRIL

SUJECIÓN DEL CARRIL

TIRAFONDOS: tg. 0,11 Y 0,09 PANDROL: tg. 0,085

SKL-12

SUJECIÓN

C O N T R A C A R R I L E S

ELÁSTICAS

PERFIL

PALASTRO AISLADO ELÉCTRICAMENTE CON SOPORTE ÚNICO CARRILCONTRA-CARRIL EXTERIOR SKL-12 INTERIOR SCHWIHAG


313


314


315


316


DESVÍOS VÍA ANCHA (1.668)- CARRIL UIC – 60 CARACTERÍSTICAS

TIPO C

TIPO V

C.RECTO: 0,09 Y 0,075 C.CURVO: 0,09 Y 0,11

C.RECTO: 0,0314 Y 0,042 C.CURVO: 0,052

ANCHO DE VÍA EN EL CRUZAMIENTO

1.668 mm

1.668 mm

VELOCIDAD MÁXIMA DE PASO POR VÍA DIRECTA

200 km/h

200 km/h

TRAVIESAS

MADERA

MADERA (HORMIGÓN EN EL FUTURO)

EN ABANICO

EN ABANICO

ELÁSTICA INDIRECTA SKL 12 Y SCHWIHAG

ELÁSTICA INDIRECTA SKL 12 Y SCHWIHAG

RELACIÓN CON VÍAS ADYACENTES

SOLDABLE

SOLDABLE

GEOMETRÍA DE LA VÍA DESVIADA EN DESVÍO RECTO

CIRCULAR

CIRCULAR (CLOTOIDE DE VÉRTICE EN PROTOTIPOS)

INCLINACIÓN DE CARRILES

1:

1:

PROTECCIÓN CON APARATO DE DILATACIÓN

NO

NO

VELOCIDAD POR VÍA DESVIADA V.

V 60 km/h

100 (130 km/h EN PROTOTIPOS)

TIPO DE AGUJAS

ELÁSTICAS

ELÁSTICAS

TRAZADO EN AGUJA

TANGENTE

TANGENTE

PERFIL DE AGUJA

BAJO ASIMÉTRICO

BAJO ASIMÉTRICO

SUJECIÓN

ELÁSTICA INDIRECTA (SCHWIHAG Y SKL12)

ELÁSTICA INDIRECTA (SCHWIHAG Y SKL-12)

MUÑÓN Y HORQUILLA

MUÑÓN Y HORQUILLA

SOLDADA

SOLDADA

TANGENTE DEL ÁNGULO DE CRUZAMIENTO

G E N E R A L E S

C A M B I O

DISPOSICIÓN DE TRAVIESAS TIPO DE SUJECIÓN

DISPOSITIVO DE PROTECCIÓN CONTRA EL DESCUADRE RELACIÓN DE LA AGUJA EN SU TALÓN CON VÍAS ADYACENTES

317



318

C O R A Z Ó N C O N T R A C A R R I L

TIPO

RELACIÓN CON CARRILES ADYACENTES SUJECIÓN PERFIL RELACIÓN CON EL CARRIL SUJECIÓN DEL CONTRACARRIL


DE CARRILES CON PUNTA DE ACERO AL MANGANESO Y PATAS DE LIEBRE DE IGUAL ACERO

DE CARRILES CON PUNTA DE ACERO AL MANGANESO Y PATAS DE LIEBRE DE IGUAL ACERO

SOLDADO

SOLDADO


ELÁSTICA INDIRECTA SKL12

UIC-33

UIC-33

PALASTRO

PALASTRO

CON SOPORTE ÚNICO CARRILCONTRACARRIL

CON SOPORTE ÚNICO CARRILCONTRACARRIL

EXTERIOR SKL-12 INTERIOR SCHWINAG

EXTERIOR SKL12 INTERIOR SCHWINAG


319


320


DESVIOS ANCHO INTERNACIONAL (1.435 mm) – CARRIL UIC - 54 CARÁCTERÍSTICAS TANGENTE DEL ÁNGULO DEL CRUZAMIENTO

TIPO B

0,09-CR; 0,11 CR 0,09-CR; 0,11-CR; Y 0,11-CR 0,09-CC Y 0,075-CR ACORTADO

TIPO C 0,09-CR;0,125CC;0,09-CR 0,11-CC;0,071CR;0,085,CC Y 0,13CC


1.435 mm

1.435 mm

1.435 mm

VELOCIDAD MAXIMA POR VIA DIRECTA

140 km/h

160 km/h

200 km/h EXCEPTO EL DE TANGENTE 0,11 A 160 km/h

MADERA

MADERA

0,09-CR Y 0,11-CC EN MADERA Y EN HORMIGÓN RESTO MADERA

PERPENDICULA R A LA VIA DIRECTA Y A LA BISECTRIZ DEL CRUZAMIENTO

EN SEMI ABANICO

EN ABANICO

TRAVIESAS

G E N E R A L

TIPO A

DISPOSICIÓN DE TRAVIESAS

TIPO DE SUJECIÓN RELACIÓN CON VIAS ADYACENTES

RIGIDA

JUNTAS EMBRIDADAS

CIRCULAR DE 2 RADIOS GEOMETRÍA DE LA VIA DESVIADA EN 1 SOLO RADIO DESVIO RECTO EN EL ACORTADO

INCLINACIÓN DE CARRILES PROTECCIÓN CON APARATO DE DILATACIÓN VELOCIDAD MAXIMA POR VIA DESVIADA

RIGIDA COMBINADA ELÁSTICA CON ELASTICA INDIRECTA SKL-12 Y INDIRECTA SKL-12 SCHWIHAG INCORPORABLE A LA VIA SIN JUNTAS (BARRA LARGA)

SOLDABLE

0,09-CR:CIRCULAR DE 1 RADIO 0,11 Y 0,075:CIRCULAR DE 2 RADIOS

CIRCULAR DE 1 RADIO

0,09-CC:CIRCULAR DE 3 RADIOS

1:20

1:20

1:20

SI

NO

NO

30 km/h

50,40,55 Y 60 km/h RESPECTIVAMENTE

45,45,50,50,60 Y 60 km/h RESPECTIVAMENTE

321


TIPO DE AGUJAS

TRAZADO EN AGUJA

C A M B I O


322

SECANTE: 0,09-CR Y 0,11-CR TANGENTE: 0,075CR Y 0,09-CC

ELASTICAS

TANGENTE

BAJO SIMETRICO

TIRAFONDOS

TIRAFONDOS CON ARANDELAS GROWER

SUJECION ELASTICA INDIRECTA SCHWIHAG Y SKL12


ALMOHADILLAS

ALMOHADILLAS

MUÑON Y HORQUILLA

RELACIÓN DE LA AGUJA EN SU TALON CON VIAS ADYACENTES

JUNTAS EMBRIDADAS

SOLDADA

FORJADA Y SOLDADA

MONOBLOQUE DE ACERO AL MANGANESO

MONOBLOQUE DE ACERO AL MANGANESO O DE BLOQUE CENTRAL DE ACERO A MANGANESO


RELACION CON VIAS ADYACENTES

EMBRIDADO MEDIANTE COLAS DE MILANO

SOLDADO

SOLDADO

SUJECIÓN

TIRAFONDOS



UIC-33

UIC-33

UIC-33

-

PALASTRO AL CORAZÓN AISLADO ELÉCTRICAMENTE CON SOPORTE UNICO CARRILCONTRACARRIL

SUJECION

C O N T R A C A R R I L

SECANTE

ELASTICAS

CARRIL NORMAL CARRIL NORMAL CON REFUERZO O ESPECIAL ALTO CON REFUERZO SIMETRICO

PERFIL DE AGUJA

C O R A Z Ó N

ELASTICAS

TIPO

PERFIL

RELACIÓN CON EL ACODALADO AL CORAZÓN CORAZON SUJECIÓN DEL CONTRACARRIL

DIRECTA A LA TRAVIESA

CON SOPORTE UNICO CARRILCONTRACARRIL


TIRAFONDOS

SKL-12

EXTERIOR: SKL-12 INTERIOR: SCHWIHAG


323


324


325


326


327


DESVIOS ANCHO INTERNACIONAL (1.435 mm) – CARRIL UIC - 60 CARÁCTERÍSTICAS TANGENTE DEL ÁNGULO DEL CRUZAMIENTO

G E N E R A L

C A M B I O

328

TIPO C 0,071-CR: 0,085-CC 0,071-CC:0,09-CR Y 0,11-CC

TIPO V

TIPO AV

0,042-CR Y 0,0490,071-CM Y 0,026-CM CC


1.435 mm

1.435 mm

1.435 mm

VELOCIDAD MAXIMA POR VIA DIRECTA

200 km/h

200 km/h

250 km/h

MADERA U HORMIGÓN SEGÚN MODELOS

MADERA

HORMIGÓN

EN ABANICO

EN ABANICO

EN ABANICO

TRAVIESAS DISPOSICIÓN DE TRAVIESAS TIPO DE SUJECIÓN RELACIÓN CON VIAS ADYACENTES

ELÁSTICA ELÁSTICA ELÁSTICA INDIRECTA SKL-12 Y INDIRECTA SKL-12 INDIRECTA SKL-12 Y Y SCHWIHAG SCHWIHAG SCHWIHAG SOLDABLE

SOLDABLE

SOLDABLE

CIRCULAR DE 1 RADIO

CIRCULAR DE 1 RADIO

CLOTOIDE

INCLINACIÓN DE CARRILES

1:

1:

1:

PROTECCIÓN CON APARATO DE DILATACIÓN

NO

NO

NO

VELOCIDAD MAXIMA POR VIA DESVIADA

60,60,80,50 Y 50 RESPECTIVAMENTE

100 km/h

80 Y 160 km/h RESPECTIVAMENTE

TIPO DE AGUJAS

ELASTICAS

ELASTICAS

ELASTICAS

TRAZADO EN AGUJA

TANGENTE

TANGENTE

TANGENTE

BAJO SIMETRICO

BAJO SIMETRICO

BAJO SIMETRICO

GEOMETRÍA DE LA VIA DESVIADA EN DESVIO RECTO

PERFIL DE AGUJA SUJECION

ELÁSTICA ELÁSTICA ELASTICA INDIRECTA SKL-12 Y INDIRECTA SKL-12 INDIRECTA Y SCHWIHAG SCHWIHAG SCHWIHAG Y SKL-12


MUÑON Y HORQUILLA

MUÑON Y HORQUILLA

MUÑON Y HORQUILLA

RELACIÓN DE LA AGUJA EN SU TALON CON VIAS ADYACENTES

FORJADA Y SOLDADA

FORJADA Y SOLDADA

FORJADA Y SOLDADA



C O R A Z Ó N C O N T R A C A R R I L

TIPO RELACION CON VIAS ADYACENTES SUJECIÓN

PERFIL



DE PUNTA MOVIL

SOLDADO

SOLDADO

SOLDADO

ELÁSTICA INDIRECTA SKL-12 UIC-33

PALASTRO AL RELACIÓN CON EL CORAZÓN AISLADO CORAZÓN ELÉCTRICAMENTE

SUJECIÓN DEL CONTRACARRIL


CON SOPORTE UNICO CARRILCONTRACARRIL EXTERIOR: SKL-12 INTERIOR: SCHWIHAG

ELÁSTICA ELÁSTICA INDIRECTA SKL-12 Y INDIRECTA SKL-12 SCHWIHAG UIC-33

SIN CONTRACARRIL

PALASTRO AL CORAZÓN SIN CONTRACARRIL AISLADO ELÉCTRICAMENTE CON SOPORTE UNICO CARRILCONTRACARRIL

SIN CONTRACARRIL

EXTERIOR: SKL-12 SIN CONTRACARRIL INTERIOR: SCHWIHAG

329


330


331


332


5.3. PASOS PARA EL DISEÑO DE LOS DESVÍOS A modo de resumen, se procede a enumerar los pasos para el diseño de los desvíos: 1.

Recopilación de datos previos: a. b. c. d.

ancho de vía tipo de carril empleado en la línea velocidad de paso por el desvío tipo de tren

2.

Dibujo a mano alzada de un primer encaje del desvío y definición de los parámetros geométricos a emplear.

3.

Cálculo del radio de la vía desviada R

4.

Elección del desvío comercial que más se ajuste al radio

5.

Obtención del ángulo del cruzamiento número del desvío

6.

§ ¨n ©

V2 12,96·acsc

D

arctan D y del

1 · ¸ tan D ¹

Determinación de los parámetros geométricos del desvío en función de las relaciones geométricas entre ellos.

333


EJEMPLO 6: Se desea enlazar una vía principal de ancho ibérico cuya velocidad de paso de los trenes es de 120 km/h con una vía secundaria que discurre paralela a ella con una velocidad máxima permitida de 60 km/h. El carril empleado en el diseño de ambas es de tipo UIC54.

1. Recopilación de datos previos Se nos dice que el ancho de vía es ibérico (1668 mm), el tipo de carril empleado en la línea es un UIC54, la velocidad de paso por el desvío es de 60km/h y el tipo de tren puesto que no se menciona se considera “resto de material”, así que según la Tabla 7, la aceleración centrífuga 2 sin compensar, acsc = 0,65 m/s 2. Dibujo a mano alzada de un primer encaje del desvío y definición de los parámetros geométricos a emplear En el caso de del desdoblamiento de una vía con un desvío sencillo a dos vías paralelas, los parámetro serían los siguientes:

334


3. Cálculo del radio de la vía desviada Según la expresión siguiente:

2

acsc = 0,65 m/s Æ R

R

602 12,96·0,65

V2 para V=60km/h y 12,96·acsc 439,56m

4. Elección del desvío comercial que más se ajuste al radio En las tablas de los desvíos de RENFE, decidimos colocar un tipo C para ancho de vía de 1668 mm y carril UIC54. Para R=439,56 m, el desvío que se ajusta es aquel con R=500 m (>439, 56 m), así será el modelo DS-C-54-500-0,09-CC 5. Obtención del ángulo del cruzamiento y del número del desvío Según la tabla, la tangente del ángulo de rozamiento será

tanD

0,09 Æ D

arctan D

5,14º y n

1 | 11 . Será un tan D

desvío 1:11. 6. Determinación de los parámetros geométricos del desvío en función de las relaciones geométricas entre ellos. El último paso consiste en partir de los datos (longitudes, radios…) proporcionados por las tablas de los desvíos existentes y obtener, por relaciones geométricas los parámetros establecidos en el paso 2.

335


BIBLIOGRAFÍA

336

García Díaz-De-Villegas, J. M., Rodríguez Bugarín, M., “Desvíos Ferroviarios”. Santander: Ingeniería Cántabra, 1995.

García Díaz-De-Villegas, J, M., “Ferrocarriles. Apuntes de clase”. INCAN - Santander, 1995.


Epílogo

EPÍLOGO

A lo largo de este libro se ha hecho un recorrido por cada uno de los elementos que se deben considerar en el diseño de una infraestructura ferroviaria. No se pretende que sea sólo un manual para el estudio de “Ferrocarriles” en Ingeniería Civil, sino que tenga una aplicación práctica para aquellos profesionales del sector ferroviario. La estructura del libro que tiene entre sus manos cuenta con una visión académica en la que se explican cada uno de los elementos que forman la infraestructura ferroviaria tal y como aparecen en la realidad. No obstante, en la práctica, los profesionales de la ingeniería diseñan cada uno de los elementos en orden inverso. La secuencia del proyecto sería la siguiente: 1.

La administración ferroviaria proporcionará algunos de los datos fundamentales que se requieren para el diseño de la línea como es la velocidad, ancho de vía y el tráfico esperado.

2.

El proyectista elegirá parámetros de diseño como, por ejemplo el ancho de la sección transversal que condicionará aspectos como la superficie a expropiar e influye en el trazado.

3.

Se plantean alternativas de trazado teniendo en cuenta los condicionantes medioambientales y sociales del entorno.

4.

Se diseña la infraestructura de la vía: 4.1. Plataforma 4.2. Drenaje 337


4.3. Capas de balasto 4.4. Material, forma y espaciamiento de las traviesas 4.5. Material y tipo de carriles

La realización del proyecto es un proceso en el que intervienen los distintos factores y se enlazan entre ellos conformando un sistema, un todo que es la infraestructura ferroviaria.

338

Epílogo

Para finalizar, cabe llamar la atención sobre dos aspectos muy importantes a la hora de concebir una infraestructura ferroviaria. El primero de ellos es el hecho de que la infraestructura se engloba dentro de un sistema mucho más complejo que es el propio ferrocarril, que incluye además los vehículos ferroviarios y a los sistemas de comunicación y señalización. Por este motivo, una infraestructura nunca debe diseñarse a espaldas del tipo de vehículos que van a circular sobre ella. La interacción dinámica vehículo-vía es un aspecto clave en la degradación de la infraestructura y del comportamiento del vehículo al circular por la misma. Del mismo modo, desde las primeras fases de concepción de las infraestructuras, deben estar muy presentes las condiciones de explotación a corto y medio plazo. Aspectos como el incremento de 339


velocidades de explotación o volumen de tráfico deben considerarse, o de lo contrario la infraestructura podría quedar obsoleta en muy poco tiempo, tal y como puede verse en algunas infraestructuras de ferrocarril convencional construidas en nuestro país durante el siglo pasado. Por último, cabe recordar al ingeniero consultor, que los proyectos deben derrochar ingenio, intentando no resolver con hormigón y acero lo que puede solventarse con habilidad, astucia y buenas prácticas.

340

Una introducción al ferrocarril. Volumen I: elementos constituyentes de la superestructura

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