Notas FFCC U02 Infraestructura

20/10/2008
UCA. Facultad de ciencias Fisicomatemáticas e ingeniería.
INGENIERIA DEL TRANSPORTE I
Transporte Ferroviario
Unidad 2
Infraestructura - la vía férrea
Juan Pablo Martínez – Roberto Agosta
2008
Introducción
•La “línea férrea” es la infraestructura en sentido amplio. Comprende la “zona
de vía” (zona de camino, derecho de vía) ocupada por la infraestructura
propiamente dicha, sobre la cual se construye la superestructura, o vía férrea.
•La zona vía es una franja de terreno de ancho variable. En nuestro país en
terreno llano, del orden de 30 m. Se ensancha o angosta en función de
obstáculos, topografía, necesidades comerciales, etc.
•Dentro de la zona de vía se construye la “obra básica”. En terreno llano es un
terraplén cuya función es elevar la cota de la vía para evitar inundaciones y
transmitir los esfuerzos verticales al terreno natural.
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Introducción
• El plano de formación o subrasante sigue aproximadamente la
altimetría proyectada para la vía. Sobre dicho plano se instala la
superestructura, o sea la vía férrea propiamente dicha. Esta se
compone de:
–Rieles.
–Durmientes.
–Balasto.
–Fijaciones.
–Otros
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Estructura de Vía
Riel
Fijación
( 45 cm )
Durmiente
Balasto (posición,
( 60 cm ) ( 1:1 )
A ≥ 30 cm
transmisión de
esfuerzos, drenaje)
(2-3%)
Subrasante
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Par montado
Pestaña
Llanta
Peso
suspendido
eje
Muñón
Rodamiento
Trocha
Se mide a 10/15 mm
debajo de la superficie de
rodadura
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“Juego” de la vía
Nueva 1.426 / Gast. 1.410
milímetros
1.435 (+1.470 / - 1.432) mm
trocha
Juego J :
normal = 1.435 – 1.426 = 9 mm
mínimo = 1.432 – 1.426 = 6 mm
máximo = 1.470 – 1.410 = 60 mm
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Capacidad Portante
•
La capacidad portante de la vía se expresa en “toneladas por eje”.
•
Los ferrocarriles norteamericanos llegan hasta 35 ton/eje.
– Éste parece ser el límite superior normalmente aplicado, ya que
pesos axiales superiores implican altísimas tensiones en la
superficie de contacto rueda riel que producen fenómenos
metalográficos perjudiciales a la durabilidad de rieles y ruedas.
•
El peso por eje admisible por la vía depende de varios factores:
– De la resistencia del riel, determinada por la calidad del acero, por el
dibujo de la sección transversal (que determina el momento de
inercia) y por el peso por unidad de longitud. Los rieles en uso en
ferrocarriles modernos tienen pesos de entre 50 y 75 kg por metro
lineal.
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Capacidad Portante
• Sigue
– De los durmientes.
• Estos pueden ser de madera dura, de acero o de hormigón.
• Cualquiera sea el tipo de durmiente, la distancia entre éstos
determina la solicitación del riel que trabaja como una viga.
• La capacidad portante de la vía depende entonces de la
cantidad de durmientes colocados por kilómetro. Esto suele
variar entre 1500 y 1800 por kilómetro.
– El tipo y espesor de la capa de balasto. En vías con circulación
importante se coloca balasto de piedra granítica en un espesor
de 20 cm por debajo de la cara inferior del durmiente.
– La calidad del suelo en el plano de formación. La superestructura debe asegurar el drenaje de aguas de lluvia evitando que el
agua acumulada afloje la resistencia del plano de formación.
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Distribución de la carga
F
A1
Riel
A2
Durmiente
A3
Balasto
A1<A2<A3
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Subrasante
Capacidad Portante
• En nuestro país el estándar de peso por eje es de 20
toneladas sobre líneas de trocha ancha y media, y 17
toneladas sobre líneas de trocha angosta.
• Pero existen líneas con peso axial inferior:
– Muchas líneas con 12 a 15 ton /eje.
– Desaprovechamiento de la capacidad de carga del material
rodante, ya que éste se puede cargar solamente hasta el peso
que permite la vía más débil a lo largo de todo el recorrido.
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• Son dos barras paralelas, de acero,
separadas entre sí por una distancia
invariable, la trocha, dentro de un margen de
tolerancia.
• Sus funciones son:
Rieles
– Sustentación: soportar el peso de los vehículos
a través de la reacción que se establece en la
superficie rueda-riel.
– Guiado: proveer en interacción con el perfil de la
rueda al guiado de los ejes de los vehículos
• Cconicidad de la rueda
• Esfuerzo transversal entre la cara interna del riel
(en relación al eje de la vía) y la cara externa de
la pestaña de la rueda.
– Tracción y frenado: los rieles son el único
elemento físico de contacto con el tren y es a
través de ellos que se aplica el esfuerzo tractivo
que hace avanzar el tren, así como el esfuerzo
de retardador que lo hace detenerse.
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Rieles
• El acero es de alta calidad, con 0,7% a 0,8% de contenido de
carbono, y se usan aleaciones especiales, más duras, para colocar
en puntos comprometidos (curvas, fuertes pendientes, etc.) o en
piezas críticas de los aparatos de vía.
• La característica principal del riel es su peso, expresado en “kilos
por metro”. En nuestro país la mayoría de las líneas principales de
trocha ancha recientemente renovadas tienen rieles de 50 kg/m; hay
unos pocos tramos suburbanos con riel de 60 kg/m.
• Los rieles se laminan y salen de fábrica en barras de 18 m o de 36
m. Antes de ir a la obra suelen soldarse en barras, usándose la
soldadura eléctrica. Y al colocarse en la vía, según lo permita el
resto de la superestructura, pueden soldarse en longitudes
indefinidas, mediante el procedimiento aluminotérmico.
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Rieles
• PERFIL:
– Cabeza
– Patín
– Alma
Cabeza (Hongo)
Sus funciones son:
– Repartir las cargas de zonas donde se produce el contacto
llanta – riel al resto de la cabeza
– Permitir radios de acuerdo con el alma
– Mantener margen para el desgaste vertical y, el lateral
producido en curvas radio reducido
– El desgaste es de aproximadamente: 1 mm/ 80 millones de
toneladas brutas.
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Rieles
Patín
Sus funciones son:
– Brindar resistencia al vuelco transmitir las presiones al durmiente.
Alma
Sus funciones son:
– Espesor suficiente para dar resistencia al corte
– Altura para aumentar el momento de inercia
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Tercer Riel
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Durmientes
•
Reciben el esfuerzo vertical transmitido a través de la superficie
de contacto con el patín del riel.
– El riel va sujeto al durmiente por un dispositivo de “fijación”
– La presión que recibe el durmiente del patín del riel se atenúa en
la cara inferior en que aquél está en contacto con el balasto.
•
•
•
Los durmientes deben soportan los esfuerzos verticales
transmitidos por el riel y la reacción transmitida por el balasto.
Asimismo trasladan al balasto los esfuerzos transversales y
longitudinales.
Los durmientes son en general de madera dura cuya provisión es cada
vez más difícil (también razones ambientales) por lo que adquieren
interés otros tipos de durmientes:
– De acero.
– De hormigón, monoblock.
– De hormigón, bi-block.
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Llanta cónica e inclinación del riel
moderno
primitivo
1
20
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vista en planta
r’’ > r
r’ < r
vista en corte
r
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Balasto
• El mejor balasto es de piedra partida granitica.
– Es de piedras duras partida de tamaño de 25 a 50 mm.
– La forma angulosa de las piedras permite una
trabazón que facilita la transmisión del esfuerzo de
la cara inferior del durmiente a la subrasante.
– Permite por su granulometría el drenaje y evacuación rápida
de aguas de lluvia.
– Amortigua vibraciones por rozamiento de áridos.
– Hace posible mediante bateado mecánico la rectificación
rápida de la nivelación y trazado.
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Balasto
• Espesor de 10 a 20 cm según el tráfico bajo durmientes de
madera, y de 15 a 25 cm bajo durmientes de hormigón. En vías de
alta velocidad el mínimo es 30 cm.
• Subbase: Una o más capas compactadas con pendiente
transversal 4 %.
• En la Argentina muchos ferrocarriles fueron construidos
procurando bajar el costo inicial. La aplicación más rudimentaria es
la vía sin balasto.
– El durmiente se entierra bajo una capa de suelo, permitiendo el
crecimiento de la vegetación en medio de la vía.
– La base se afloja cuando llueve lo que puede dañar mucho la vía
y ser motivo de descarrilamiento.
– Se interrumpe el tránsito hasta que se seque.
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Balasto
t
P
Durmiente (en madera: 12 x 24 )
longitud = trocha + 1m
separación en vías principales =
60 cm (entre 1100 y 1700/km)
Otros materiales: hormigón
armado y pretensado / metálicos
Zona sin
compactar
d = 90 cm
Long.durmiente
b
h ≥ 30 cm
Durmiente
Balasto: piedra granítica
de aristas vivas de entre 2
y 6 cm con desgaste LA ≤
25%. Entre 1700 y 3000
ton/m de vía según trocha.
Pd = P / (b d)
45°
Pd = P / [ (2h + b) d ] ≤
σadm
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Fijaciones
• Funciones mecánicas:
– Mantener el ancho de la vía (trocha)
– Evitar el vuelco del riel
– Mantener apretado el patín del riel al durmiente
– Impedir el desplazamiento longitudinal del riel
– Conseguir una elasticidad adecuada en el apoyo del riel con
el durmiente.
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Fijaciones
• Clasificación:
– Directas: El anclaje al
durmiente proporciona el
esfuerzo de apriete
(clavos de vía, tirafondos)
– Indirectas: El riel se
apoya sobre una placa
anclada al durmiente. El
esfuerzo de apriete es
sobre la placa
– Mixtas: Con placa, pero
el anclaje es el mismo
que proporciona el
esfuerzo de apriete
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Fijaciones
•
Clasificación:
– Además, según la
reacción del elemento de
apriete conrelación a
desplazamientos
verticales:
• Elásticas (Pandrol,
Nabla, Vossloh)
• Rígidas
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Rieles y fijaciones
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Material chico
• Eclisas: son barras de acero
que mediante bulones unen dos
rieles contiguos.
– Suele tener 6 agujeros, y se
sujeta a cada riel con 3
bulones.
– La forma debe ser
plenamente acorde con la del
riel, para que haya un apoyo
perfecto.
– El paso de cada eje solicita la
eclisa y se produce un
movimiento relativo a los
rieles, con un desgaste
gradual que lleva al
aflojamiento. Cuando esto
alcanza cierto límite, se
colocan suplementos.
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Material chico
• Anclas de vía
• Los esfuerzos longitudinales que soportan los rieles los
hacen desplazarse en forma gradual:
– En las zonas de “arranque” de los trenes.
– En rampas y pendientes.
• Para evitar este efecto se coloca el “ancla”, una pieza que
toma el riel por el patín, en forma elástica.
– El ancla se coloca al lado del durmiente y si el riel tiende
a “caminar” el ancla lo acompaña pero topa con el
durmiente, a su vez contenido por el balasto.
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Rieles y fijaciones - anclas
Inclinación hacia adentro 1:20
Peso : 50 a 70 kg/m
Resistencia: 70 a 90 kg/mm2
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Soldadura
• Las juntas con eclisas son el punto débil de la vía.
– Entre riel y riel hay siempre una luz, que tiene en cuenta la
dilatación
– Interrumpe la lisura de la rodadura, produciendo el “golpe de vía.
• Con el tiempo las eclisas se desgastan y se afloja el
balasto debajo de los durmientes inmediatos, dando lugar
a un creciente descenso de uno de los rieles, antes que la
rueda toque el siguiente.
– A medida que esto sucede, aumenta la fuerza del golpe, que
deteriora al propio riel y a la rueda, así como es causa de
disconfort para los pasajeros.
– El mantenimiento en buen estado de las juntas es una tarea
costosa.
• Para evitarla se sueldan los rieles contiguos formando
barras más largas.
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Gálibo
• Gálibo mínimo de obra
– Todo vehículo debe poder circular sin embestir obstáculos fijos
como serían los puentes, edificios, postes de señales, columnas
de sostén de la línea aérea eléctrica, etc.
– Se define así un perfil o sección transversal a la vía que es una
figura dentro de la cual no debe estar ninguna construcción o
instalación fija.
• Gálibo de material rodante
– Todo material rodante que se autorice a circular sobre un dado
ferrocarril, deberá estar inscripto en un perfil de máxima denominado
“gálibo de material rodante”. Esta figura “cabe” dentro del gálibo
mínimo de obra, con un margen de seguridad suficiente.
• Los gálibos deben normalizarse en las grandes redes
ferroviarias nacionales o internacionales.
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Gálibo
de tren
rodante
Argentina
Trocha
ancha
NSR
en
www.cnrt.gov.ar
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Gálibo
de tren
rodante
Argentina
Trocha
angosta
NSR
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Gálibo de
tren
rodante
inferior
Argentina
Trocha
angosta
NSR
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Contra riel
Contra riel
Agujas
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Enlaces
Tijeras
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Cambio de Vía
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Contrarriel
Corazón
Cambio
pasando la
esmeriladora
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Haz de
vías
Cambio
recto a la
derecha
Contrarriel
Cambio
simétrico
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Enlace
Cambo
izquierdo
Inglés
doble
Aparatos de vía
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