TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES CAPITULO V DURMIENTES V - 1 ) EVOLUCION HISTORICA DE LOS DURMIENTES Definición: Los durmientes ó traviesas son elementos que se sitúan en dirección transversal al eje de la vía, sobre los que se colocan los rieles y constituyen a través de la sujeción, el nexo entre el riel y el balasto, formando con aquél el emparrillado de la vía. El eje de los rieles debe ser perpendicular al eje de los durmientes Evolución en función de los requerimientos: La vía férrea se materializó desde los primeros tiempos como un emparrillado formado por ambos rieles arriostrados transversalmente por una serie de elementos dispuestos uniformemente y separados una distancia constante entre sí, llamados durmientes . La carga de la rueda actúa directamente sobre el riel, transmitiéndole tensiones elevadas. El durmiente recibe estas tensiones y las trasmite a la capa de balasto, que posee una capacidad portante menor que el durmiente. Finalmente, la plataforma recibe, atenuada por el balasto, las tensiones que habrán de ser compatibles con su capacidad resistente y deformacional. Esta concepción se ha mantenido a lo largo del tiempo. Así en los tiempos, los primeros durmientes se construyeron de madera y aún hoy en día continúan utilizándose, en virtud de su tradicional uso en la construcción por sus cualidades de fácil tallado, flexibilidad, elasticidad y sencillez para la sujeción mediante clavado y abundancia de bosques. Con la disminución de los recursos forestales y el desarrollo siderúrgico de fines del siglo XIX aparecieron los primeros durmientes metálicos. Posteriormente (1920) aparecen los primeros durmientes de hormigón bibloque y en la década del 50 se comienzan a fabricar durmientes de hormigón monobloques (pre y pos tensado), siendo en la actualidad el tipo de durmiente utilizado en las vías modernas con la instalación del riel continuo soldado. En las últimas décadas se ha comenzado a investigar la posibilidad de fabricar durmientes de plástico o materiales sintéticos, pero hasta el momento no se han logrado grandes avances. V - 2 ) FUNCIONES ESENCIALES Los durmientes deben cumplir las funciones que se describen a continuación: 72 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES 1) Servir de soporte a los rieles, fijando y asegurando su posición en lo referente a cota, separación (trocha) y manteniendo la inclinación de 1/20. 2) Recibir las cargas verticales y horizontales transmitidas por el riel y repartirlas sobre el balasto a través de la superficie de apoyo ó superficie equivalente. 3) Mantener la estabilidad de la vía en el plano horizontal y en el vertical, frente a los esfuerzos estáticos procedentes del peso propio y de las variaciones de temperatura así como los esfuerzos dinámicos debido a la circulación de los trenes. 4) Mantener, siempre que sea posible, el aislamiento eléctrico entre los dos hilos del carril, cuando la vía está dotada de circuitos de señalización (cantones de vía). 5) En el caso de existir corrientes parásitas provenientes de la electrificación y que puedan producir daño a instalaciones del entorno, deberán ofrecer características aislantes para evitar daños. V - 3 ) TIPOS DE DURMIENTES V – 3.1 ) CLASIFICACION DE LOS DURMIENTES SEGÚN EL MATERIAL DE FABRICACION Los durmientes se clasifican de acuerdo al material del cual están constituidos en los siguientes tipos: 1) Durmientes de madera 2) Durmientes de acero 3) Durmientes de fundición 4) Durmientes de hormigón armado 5) Durmientes pretensados y postensados 6) Durmientes sintéticos En la tabla siguiente se resumen las características principales de los durmientes, según los materiales de los que están constituidos. 73 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES V – 3.2 ) DURMIENTES DE MADERA La madera ha sido utilizada como material para la fabricación de durmientes, desde los orígenes del ferrocarril y aún hoy existe un gran consumo de durmientes de madera por parte de muchas administraciones ferroviarias. Ventajas: Las principales ventajas de los durmientes de madera son: 1) Elasticidad y resistencia a la flexión. 2) Alto aislamiento eléctrico. 3) Facilidad de fabricación y para el clavado de las sujeciones. 4) Facilidad de manipuleo en trabajos de instalación y mantenimiento de vía. Inconvenientes: 1) Escasa durabilidad de muchas de las especies utilizadas en la fabricación. 2) Bajo peso especifico, lo que disminuye su estabilidad a altas velocidades. 3) Dificultades y encarecimiento para la adaptación de sujeciones elásticas a este tipo de durmientes. fundamentalmente a los estudios foto elásticos y al calculo de elementos finitos aplicado a las tensiones que se producen en el riel. Especies utilizadas: La madera como materia viva presenta una heterogeneidad que la diferencia del resto de los materiales de construcción, por este motivo, la normativa para la fabricación de durmientes con este tipo de material debe ser suficientemente amplia de tal forma que recoja las distintas posibilidades en cuanto a especies, características físico-mecánicas y de durabilidad, así como en lo referente a defectos propios de la madera. Maderas duras; son maderas cuyo peso especifico es próximo a la unidad, generalmente son también maderas durables (que no requieren tratamiento de preservación), aunque hay ciertas excepciones tales como el lapacho (que es una madera dura no durable si se la utiliza como durmiente). Maderas blandas: para ser utilizadas como durmientes se requiere que al menos tengan un peso especifico superior a 600 gr/cm3. Además generalmente son maderas que no son durables naturalmente y necesitan un tratamiento de preservación. Maderas durables: maderas que no necesitan un tratamiento de preservación, pues ya tienen un preservante natural (como lo es el tanino en los quebrachos), Maderas no durables: son aquellas que requieren un tratamiento de preservación artificial, ya que naturalmente se deterioran rápidamente. El tratamiento de preservación prolonga la vida útil de los durmientes fabricados con este tipo de maderas. Las especies botánicas utilizadas por las administraciones ferroviarias de los países europeos son: roble, haya, pino y abeto provenientes de bosques de Europa, que para ser utilizadas como durmientes necesitan un tratamiento de impregnación, otra especie utilizada es el akoga proveniente de Guinea (Africa). En nuestro país, se utilizó desde los inicios del ferrocarril durmientes de madera dura, provenientes de especies tales como el quebracho, guayacán, urunday y últimamente curupay. En virtud de la escasez cada vez mayor de estas maderas se ha ampliado la normativa a los efectos de permitir el uso de otras especies forestales cuyas características físico-mecánicas y de durabilidad, garanticen una vida útil de al menos 25 años. 74 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Especies botánicas utilizadas para la fabricación de durmientes de madera dura Nombre botánico Nombre común Schinopsis balansae Engl. Quebracho colorado chaqueño Schinopsis haenkeana Engl. Quebracho colorado chaqueño Schinopsis lorentzii (Griseb.) Engl. Quebracho colorado santiagueño Schinopsis cornuta Loes. Quebracho colorado chaqueño Schinopsis glabra (Engl.) F. A. Barkley & T. Mey Quebracho colorado boliviano Schinopsis brasilensis Engl. Quebracho colorado boliviano Schinopsis peruviana Engl. Quebracho colorado boliviano Caesalpinia paraguarienses (D. Parodi) Burkart . Guayacán, Ibirá -Berá Myracrodruon balansae (Englelm.) Santon. Urunday Anadenanthera colubrina (Vell.) Brenan var. cebil (Grises.) Reis Curupay Parapiptadenia rigida (Benth.) Brenan Curupay - Angico Además de las especies botánicas indicadas en la tabla anterior, se pueden incluir en la fabricación de durmientes de madera otras especies que cumplan con las propiedades indicadas en la tabla siguiente. Características y valores exigidos para las especies botánicas no incluidas en la tabla anterior CARACTERÍSTICAS VALOR METODO DE ENSAYO Peso especifico aparente corriente UNIT 237 0,9 gr/cm3 Dureza Janka UNIT364 100 MPa Durabilidad natural EN 350- 1 y EN 113 25 años Compresión perpendicular a la fibra UNIT 371 10 MPa Flexión estática (Módulo de rotura) COPANT 555 100 MPa Cizallamiento UNIT 370 12 MPa Resistencia al arranque de tirafondos Según Art. 6.7de UNIT 11:2007 6000 kgf NOTA : Los valores de ensayo son al 12% de humedad. Durmientes de maderas tratadas La normativa permite además utilizar otras especies botánicas que no se consideren maderas durables, no obstante, si las propiedades físico-mecánicas son aceptables y la vida útil de los durmientes se puede incrementar mediante un tratamiento de impregnación, se admiten especies que cumplan con la tabla siguiente Características y valores exigidos para las especies botánicas que requieren tratamiento de impregnación CARACTERÍSTICAS VALOR METODO DE ENSAYO Peso especifico aparente corriente UNIT 237 0,65 gr/cm3 Dureza Janka UNIT364 70 MPa Durabilidad (con tratamiento) ASTM 1415-61 y EN 113 25 años Compresión perpendicular a la fibra UNIT 371 7,5 MPa Flexión estática (Módulo de rotura) COPANT 555 100 MPa Cizallamiento UNIT 370 9 MPa Resistencia al arranque de tirafondos Según Art. 6.7de UNIT 11:2007 4000 kgf Entre las maderas tratadas que se utilizan para fabricar durmientes, cabe destacar que en nuestro país, la que se ha utilizado con muy buenos resultados es el quebracho blanco creosotado (Aspidosperma Schletchtendal). 75 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES V – 3.3 ) TRATAMIENTO DE IMPREGNACION El fin del tratamiento de impregnación de los durmientes es el de proporcionar una protección mediante productos químicos, frente al ataque de organismos xilófagos de forma de prolongar la vida útil de los mismos. Productos de impregnación: Los productos de impregnación deben tener las siguientes propiedades: a) Ato poder insecticida y funguicida y que se mantenga a lo largo de la vida de servicio b) Facilidad de impregnación y distribución homogénea en la madera c) No debe afectar las propiedades mecánicas y dieléctricas de la madera a los efectos de no atacar los elementos de las sujeciones. d) No deben ser tóxicos para el personal que manipulea los durmientes. El producto que ha sido universalmente utilizado para este tipo de tratamientos es la cerosota, que es un aceite pesado procedente de la destilación de la hulla. La cerosota es tóxica para los insectos xilófagos y además es fitotóxica (impide la formación de herbáceas sobre el durmiente) y además es hidrófuga (impide la absorción de agua). No obstante, la cerosota es altamente toxica para el personal y además posee componentes cancerigenos. Por lo que en los últimos tiempos se ha comenzado a utilizar otros productos alternativos, tales como las sales CCA (Cromo – Cobre – Arsénico) Secado Previo Secado natural: Los durmientes deben almacenarse en pilas o canchadas, ubicándolas en lugares con buen drenaje y aireación que permita asegurar el secamiento uniforme de los durmientes. El contenido de humedad que deben alcanzar los durmientes, previo al tratamiento es del orden del 25 al 28 %. La humedad se puede controlar mediante los pesos de los durmientes, sumando al peso anhidro el peso de los porcentajes de humedad , comprobando mediante balanza el peso del durmiente antes de la impregnación (este es el método más práctico ) Secado artificial (Boultonizacion): Consiste en extraer la cantidad de humedad requerida mediante un proceso de vacío dentro de un circuito. Descripción de los procesos de impregnación El tratamiento de impregnación se realiza a presión en autoclave, mediante los procesos Bethell (o de células llenas) o Lowry o Ruping (o de células vacías). Proceso Bethel: Este proceso, consta de las siguientes etapas: Vacío inicial: La madera dentro del autoclave debe ser sometida hasta alcanzar por lo menos un vacío de 600mm de Hg, durante un período de 30 minutos. 76 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Llenado: El autoclave debe ser llenado con el preservante sin pérdida del vacío alcanzado. Periodo de presión: Cuando el autoclave está totalmente inundado con la solución preservadora la madera debe ser sometida a una presión que no debe ser mayor que 1.4 Mpa (14 kgf/cm2) y no debe ser menor que 0.8 Mpa (8 kgf/cm2) La presión debe mantenerse hasta alcanzar la retención requerida y nunca por un período menor que 1h. Vacío final: Luego del período de presión la autoclave debe ser vaciada del preservador y aplicarse un vacío final que no debe ser mayor de 80 Kpa (600 mmHg). Proceso Lowry (método de célula vacía): Es igual que el proceso anterior, con excepción que no se efectúa el vacío inicial. Proceso Ruping: Se inyecta a la madera en el autoclave, aire a presión, que no debe ser mayor que 0.4 Mpa (4 kgf/cm2), a continuación sin interrumpir la presión alcanzada se inunda el autoclave con la solución preservadora a una temperatura de 80° a 105°C, cuando el tanque está totalmente inundado con la solución preservadora, debe aumentarse la presión, la que no debe exceder los 1.4 Mpa( 14 kgf/cm2) y no debe ser menor que 0.8 Mpa (8 kgf/cm2). La presión debe mantenerse hasta alcanzar la retención requerida y nunca por un período menor que 1 hora. Después del periodo de presión debe vaciarse del preservador y aplicarse un vacío final de 600mm de Hg durante 30 minutos para evitar que la madera exude cuando salga del autoclave. Forma y dimensiones: La forma de los durmientes de madera es paralelepipédica y en la fabricación de los mismos se trata de obtener el mayor aprovechamiento del árbol. Para trocha estándar, los durmientes comunes tienen las siguientes dimensiones: 250 cm. de largo, 24 cm. de ancho y 12 cm. de altura. Además de los durmientes comunes, también están los durmientes especiales, dentro de los cuales se diferencian los que se utilizan para puentes metálicos, cuyas dimensiones son 300 cm de largo, 22 cm. de ancho y 20 cm. de altura. Y los durmientes para cambios (aparatos de vía), que tienen 24 cm. de ancho, 12 cm. de altura y largos variables que van desde los 300cm, 350cm, 375cm y 420 cm. 77 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Zona de asiento del riel Zonas ubicadas hasta 25 centímetros a cada lado del eje del riel. (ver fig. 2) Proceso de fabricación: Los durmientes se fabrican mediante labrado o aserrado, sus caras y costados deben ser planos y paralelos entre sí. Sus aristas deben ser rectas y la sección transversal, rectangular y uniforme en sus dimensiones. Los durmientes deben ser fabricados a partir de rolos cortados de árbol vivo y sano, con su eje longitudinal paralelo a la dirección de las fibras de la madera. No se acepta la utilización de árboles alcanzados por rayos. Los rolos a utilizar deben estar totalmente desprovistos de corteza. La transformación de los rolos en durmientes no se debe realizar hasta transcurrido un plazo mínimo de dos meses de realizado el corte del árbol. No se deben inspeccionar durmientes con menos de 20 (veinte) días calendario de aserrados. La madera presentada a la inspección debe estar limpia, sin tierra, barro o aserrín. La cara inferior deberá estar cortada a sierra pudiendo las restantes ser labradas con hacha o azuela. Defectos: Los defectos más comunes de los durmientes de madera son los siguientes: Rajadura: Separación de la fibra de la madera que se extiende en la dirección del eje de la pieza y afecta totalmente el diámetro ó espesor de la misma (Ver figura). 78 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Grietas: Separación de las fibras de la madera que no alcanza a afectar dos caras de una pieza aserrada ó dos puntos opuestos de la superficie de una madera de sección transversal aproximadamente circular , (en la figura siguiente se detallan ambos defectos). Grieta medular: Grieta que contiene la médula. Acañonado: Hueco que se produce en la cabeza del durmiente por pudrición de la médula. Pudrición: Descomposición de la madera producida por la acción de hongos xilófagos, acompañada de un proceso gradual de cambio de características físicas, químicas y mecánicas. Fractura: Ruptura de la fibra de la madera como resultado de un esfuerzo excesivo de compresión o de flexión. 79 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Acebolladura: Separación entre anillos de crecimiento extendida a lo largo de la fibra (Ver figura ). Taladrado: Presencia de galerías, producidas por larvas ó individuos adultos, de ciertos insectos forestales que no superan los 3 mm de diámetro. Apolillado: Existencia en la madera de galerías que contienen un polvo fino producido, principalmente, por larvas, insectos ó crustáceos. Atabacado: Enfermedad del árbol que disminuye la resistencia de la madera y que se reconoce por cambio de color y consistencia de las fibras de la madera, y su aspecto es semejante a fibras de tabaco. Lacra Tánica: Defecto consistente en el depósito de masas de tanino dentro del leño. Nudo: Parte de una rama, que por crecimiento secundario en un tronco, se encuentra incluida en él, presentando aspecto y propiedades diferentes a las de la madera circundante. Agujeros: Es el defecto que se manifiesta como una abertura de sección aproximadamente circular, originada especialmente por el desprendimiento de un nudo. No se admiten agujeros en la zona de asiento del riel si su diámetro y/o profundidad es mayor de 3 cm.. Se admite una cierta cantidad de agujeros fuera de dicha zona dependiendo de la categoría del durmiente. Albura o sámago: Capa ó zona de color generalmente claro situada entre el duramen y la corteza. Contiene células vivas y materiales de reserva del árbol (ver figura). 80 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Sámago admisible en función de Zona de asiento del riel c b 1ª (Comunes y especiales) > 20 cm < 2,5 cm 2ª (Comunes) > 16 cm < 5 cm 2ª (especiales) > 16 cm < 5 cm 3ª (Comunes) > 10cms < 10 cm Categoría la categoría Otras zonas c > 18 cm > 14 cm > 16 cm. > 7cm b < 2,5 cm < 5 cm < 5 cm < 10 cm Alabeo: Deformación que puede experimentar una pieza de madera por la curvatura de su eje longitudinal, transversal ó ambos (ver figura). Como casos particulares del alabeo, se tienen: a) Abarquillado (Acanaladura): Alabeo en dirección transversal a las fibras. b) Combado ó arqueadura. Alabeo de las caras en la dirección de las fibras. c) Curvatura lateral simple: Alabeo de los cantos en el sentido de las fibras. d) Curvatura lateral doble: Alabeo de los cantos en el sentido de las fibras en forma de S. Las Flechas máximas admisibles para las distintas categorías en curvatura simple y doble, se especifican en el siguiente cuadro: Flechas máximas admisibles en función de la categoría Categoría Curvatura Simple Curvatura doble 1ª Categoría 10 cms. 4 cms. 2ª Categoría 15 cms. 6 cms. 3ª Categoría 15 cms. 6 cms. En ningún caso se admite curvatura lateral en durmientes de cambio o puentes. e) Revirado ó torcedura: Alabeo helicoidal en la dirección longitudinal y transversal de las fibras. 81 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES No se admite abarquillado, combado o revirado en ninguna categoría de durmientes Recepción: Es habitual inspeccionar de forma visual el 100% de los durmientes, para comprobar que cumplen con las exigencias establecidas mencionadas anteriormente, rechazando aquellos durmientes que no cumplen con dichos requisitos. 82 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES V – 3.3 ) DURMIENTES METALICOS Forma La forma de los durmientes metálicos es la de sección transversal en forma de U invertida , embutido en sus extremos para formar topes que se clavan en el balasto para aumentar de esta manera la resistencia al desplazamiento lateral de la vía. En general la sección transversal de los durmientes metálicos es similar al de la figura adjunta, que corresponde al durmiente bábaro (de fabricación alemana). . Ventajas: Las principales ventajas de los durmientes metálicos son: 1) Muy buenas condiciones para mantener la trocha (ancho de vía), tanto con sujeciones rígidas como con sujeciones elásticas.. 2) Alta vida útil, superior a los 50 años. 3) Facilidad de reparación por soldadura o enderezado mediante prensa hidráulica (tal como puede observarse en la fotografía adjunta) o mediante fragua. 4) Facilidad de manipuleo en trabajos de instalación y mantenimiento de vía, ya que su peso oscila en los 80 kg. 5) Tiene valor residual, ya que admite reparaciones o puede venderse como chatarra. 83 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Inconvenientes: 1) Por ser muy livianos, no son aptos para ser instalados en vías con riel continuo soldado. 2) Dificultades para lograr un aislamiento eléctrico eficaz. 3) Resultan bastante ruidosas. 4) Dificultades y encarecimiento para la adaptación de sujeciones elásticas a este tipo de durmientes. Fabricación de los durmientes metálicos: Los durmientes metálicos pueden ser fabricados de acero o fundición de hierro. Los procedimientos empleados para la fabricación son los mismos que se utilizan para la fabricación de los rieles: Thomas; Bessemer; Martín-Siemens; Eléctrico; LinzDonawitz (soplado al Oxígeno). Los cinco procedimientos se basan en la obtención del acero requerido, mediante la fusión en alto horno de lingotes de hierro mineral y chatarra, las impurezas forman la escoria que flota en el metal fundido por diferencia de peso especifico. Una vez obtenido el acero en forma sólida por uno u otro procedimiento (ya sea en forma de lingotes o de blooms), Se vuelve a calentar en un horno de recalentado( a unos 1200 ºC) y de ahí pasa por un tren de laminación, formado por tres cajas (caja de desbastado, caja intermedia o de perfilado y caja de acabado). A la salida de la laminación, se obtienen los perfiles en forma de “U” de longitudes que van desde los 40 a 80 metros, que mediante una cizalla se cortan a la longitud precisa que se requiere para el durmiente. Seguidamente, estos trozos pasan ( a 700 o 800 ºC) a una prensa que proporciona la forma de los extremos. Luego se somete a un proceso de enfriamiento controlado Posteriormente se procede al punzonado de los orificios para los bulones dobles o a soldar las placas de asiento para las sujeciones elásticas, según corresponda de acuerdo a lo solicitado por el cliente. Finalmente, si procede al desbarbado y limpieza y por último, si el cliente lo exige se pasa a un horno donde se calienta a unos 150 ºC y se sumergen las piezas en un baño de alquitrán para protegerlos contra la corrosión. En la figura siguiente se representa en forma esquemática el proceso de fabricación de los durmientes metálicos 1 Lingotes (2 a 5 T) 2 Horno 1200º 6 Cizalla o Sierra 10 3 Blooming 7 Matrizado (700 – 800º) 11- 12Comprobaciones-Recepción 4 Cizalla (tochos 1.5 a 2 T) 8 Enfriamiento 13 Alquitranado (801 – 100º) 5 Laminado 9 Taladrado y soldadura sillas 14 Expedición 84 Desbarbado y limpìeza TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Composición química de los aceros para durmientes: La resistencia de los aceros depende fundamentalmente de su composición química. Cada administración ferroviaria fija sus propias tolerancias especificas para admitir el tipo de acero a utilizar en la fabricación de los durmientes metálicos. Los aceros utilizados para la fabricación de durmientes puede ser uno de los indicados en la tabla siguiente, acorde a la elección del comprador Componentes del acero (%) C Si Mn Cu P S Acero normal 0,12 – 0,14 0,12 – 0,30 0,35 – 0,55 0,08 – 0,10 0,05 0,05 Tipos de acero Fundición 0,25 – 0,33 0,33 - 0,50 1,20 - 1,65 0,20 - 0,35 0,05 0,05 Las características mecánicas de estos aceros están comprendidas entre los límites que se indican en la tabla siguiente: Resistencia a la tracción (N/mm2) 380 – 460 430 – 510 510 – 620 Alargamiento permanente en rotura mínimo (%) 24 20 18 Recepción: Para la recepción de los durmientes metálicos, se debe verificar la composición química, la resistencia mecánica, dimensiones geométricas y el aspecto general de las piezas. El control de la resistencia mecánica y de composición química se determinan mediante ensayos de laboratorio. Los ensayos de tensión y plegado deben llevarse a cabo de acuerdo a lo establecido en las normas ISO (para el ensayo de tracción axial se utiliza la norma ISO 82 y para el ensayo de plegado se utiliza la norma ISO 85). Para el control de las dimensiones geométricas y de terminaciones, la UIC ha establecido los diagramas de Wald, mediante los cuales se determinan las condiciones de aceptación. Para la inspección se consideran lotes compuestos de 1000 a 5000 unidades. Los ejemplares a inspeccionar individualmente, son seleccionados en forma aleatoria de un lote a inspeccionar, en dicha inspección se verificará que los durmientes cumplen con las medidas establecidas en los planos y además deben presentar superficies limpias, libres de imperfecciones, fisuras, pliegues y otras fallas. Si en la inspección se encuentra al menos una medida fuera de tolerancia se le considera defectuoso. El diagrama de Wald, representa en abcisas el número de ejemplares ensayados y en ordenadas los ejemplares defectuosos o rechazados. 85 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Se comienza en el origen de coordenadas, para cada nuevo ensayo se desplazará hacia la derecha paralelamente al eje de abcisas y por cada ensayo defectuoso se desplazará en forma ascendente paralelamente al eje de ordenadas. El ensayo finalizará cuando el registro alcance en el diagrama, alguna de las zonas marcadas como “aceptado” o “rechazado”. ANEXO D RECHAZAR 5 ACEPTAR número de partes defectuosas Plan muestreo progresivo – Método de Wald Método de de muestreo progresivo para la reinspección de lotes rechazados AR HAZ REC R PTA ACE 0 0 50 100 150 200 número de partes ensayadas En caso de rechazo, el fabricante o proveedor, tiene la opción de clasificar las piezas del lote “fallado” y a su costo presentarlo nuevamente para una reinspección. Para esta segunda inspección se procede de acuerdo a un segundo diagrama, que da al comprador un riesgo menor. ANEXO C Método de muestreo progresivo - Método de Wald Plan progresivo de muestreo para la reinspección de lotes. RECHAZAR ACEPTAR número de partes defectuosas 15 10 AR AZ CH RE R TA EP AC 5 0 0 50 100 150 número de partes ensayadas 86 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES V – 3.4 ) DURMIENTES DE HORMIGON Los primeros intentos por desarrollar los durmientes de hormigón datan de principios del siglo XX, sin embargo los problemas que surgieron en los primeros modelos fueron dos: fisuración y posterior rotura del hormigón en la zona de asiento del riel y rotura por fatiga en la zona central del durmiente por estar sometida a esfuerzos alternativos de flexión. Estos problemas fueron resueltos en principio con el diseño de los durmientes de hormigón armado de dos bloques unidos por una riostra de acero laminado que absorbe los momentos alternativos en la zona central y posteriormente con el desarrollo de los durmientes de hormigón pre y pos tensado, que al trabajar a compresión resuelve también la variación de los momentos en el centro del durmiente. A partir de la aparición y de las muy buenas prestaciones de los durmientes de hormigón tanto bibloques como monobloques, su uso se ha generalizado desplazando a los durmientes de madera y metálicos, fundamentalmente en la instalación de vías constituidas con riel continuo soldado. Ventajas: Las principales ventajas de los durmientes de hormigón son: 1) Muy buenas condiciones para mantener la trocha (ancho de vía).. 2) Alta vida útil, superior a los 50 años. 3) Presentan excelentes condiciones para ser instalados en vías con riel continuo soldado, por su peso que oscila de 200 a 300 Kg por unidad que le da una mayor estabilidad a la vía y porque además todos los tipos de durmientes de hormigón tienen incorporados sujeciones elásticas.. 4) Si bien no presentan buen aislamiento eléctrico, el mismo se logra eficazmente a través de los sistemas de sujeción. Inconvenientes. 1) Por ser muy pesados, presentan dificultad de manipuleo en trabajos de instalación y mantenimiento, siendo indispensable contar con equipos especiales para su manipuleo. 2) Elevado costo inicial. 3) Para su instalación es necesario contar con una capa de balasto limpia y con un espesor mímico de 15 cm debajo del durmiente. AI – 3.4.1 ) DURMIENTES DE HORMIGON ARMADO El primer diseño que superó los problemas de fisuración problemas fue el durmiente de hormigón armado bibloque, constituidos por dos bloques de hormigón armado unidos por una riostra de acero laminado, la que permite absorber los momentos de flexión alternativos. La riostra de acero va empotrada en ambos bloques, en ambos extremos de la riostra se coloca una armadura helicoidal que queda incorporada a los bloques de hormigón armado. Los durmientes bibloques de hormigón armado tienen un peso que oscila los 200 kg por unidad, La resistencia del hormigón a los 28 días es de 400 a 475 Kg/cm2, el contenido de cemento varía de 325 a 375 Kg/m3. La riostra es de acero laminado de sección transversal en forma de “Y” o “L”, cuya tensión de rotura oscila de 70 a 90 Kg/mm2. 87 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Entre los tipos de durmientes bibloques, se destaca el durmiente Vagneux, de diseño francés y actualmente está muy difundido el uso del durmiente RS. Ambos diseños se detallan en las figuras siguientes junto con los perfiles transversales de las riostras metálicas. El proceso de fabricación cosiste en el montaje en los moldes (los que se colocan invertidos) de la armadura superiores, la riostra, la armadura helicoidal en los extremos de la riostra y los elementos de las sujeciones. Simultáneamente se va elaborando el hormigón el cual se dosifica mediante un programa por computadora, se vierte parte del hormigón se vibra el molde que está solidariamente unido a una mesa vibratoria, después se coloca el resto de la armadura y se completa el llenado del hormigón y se vuelve a vibrar el molde, a continuación se procede al desmoldeo y los durmientes pasan a un túnel de curado al vapor a unos 55 ºC, donde permanecen unas 8 horas, luego se les realiza una inspección visual y finalmente pasan a las zonas de acopio. 88 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES AI – 3.4.2 ) DURMIENTES DE HORMIGON PRE Y POS TENSADO Después de la Segunda Guerra Mundial, como consecuencia del perfeccionamiento de las técnicas de tensado del hormigón surgieron los primeros durmientes de hormigón pre y postensado. El tensado de las armaduras permite que el durmiente trabaje siempre a compresión, con lo que se resuelve el problema de los momentos flectores alternativos en la zona central. Los durmientes monobloques de hormigón pre y postensado tienen un peso que oscila los 300 kg por unidad, La resistencia del hormigón a los 28 días es de 550 a 700 Kg/cm2 (luego de transferir la tensión de las armaduras), el contenido de cemento varía de 450 a 525 Kg/m3. Las armaduras de los durmientes tensados depende del proceso de fabricación, ya que los durmientes pretensados tienen un gran número de alambres que oscila entre 20 y 40 por durmientes, cuyos diámetros oscilan entre 3mm y 6mm y tensiones de rotura de 140 a 170 Kg/mm2, mientras que los postensados presentan un menor número de varillas que pueden ser 4 u 8 con diámetros de 10mm o 14mm. El proceso de fabricación, básicamente se basa en colocar en los moldes, los alambres tensados y los elementos de las sujeciones que quedarán incorporados al hormigón. Una vez elaborado el hormigón, el cual se dosifica mediante un programa computarizado con una relación agua/cemento del orden de 0,4, se vierte en los moldes los cuales son sometidos a una vibración intensa. Luego se procede al curado al vapor a una temperatura controlada en forma computarizada. Finalmente se procede a cortar los alambres de las armaduras de los macizos de anclaje, con lo cual se transmite la tensión de las armaduras a la masa del hormigón. En el caso de los durmientes postensados, el proceso de fabricación es muy similar. Con la diferencia, que luego del desmoldeo y curado del hormigón se procede a la colocación de las armaduras, las que se colocan a través de unos canales que quedan en la masa del hormigón y que se colocan con el molde. Luego de colocadas las armaduras, se anclan en un extremo y se tensan desde el otro extremo. 89 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Geometría final de un durmiente monobloque de hormigón(pre o pos tensado) 90 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES V – 3.8 ) ENSAYOS DE RECEPCION PARA DURMIENTES DE HORMIGON Los ensayos de recepción dependen en rigurosidad de cada administración ferroviaria y son de tres tipos: V – 3.8.1) ENSAYOS DE CARÁCTER GEOMÉTRICO-DIMENSIONAL: Garantizan que las piezas se han construido de acuerdo a las dimensiones teóricas establecidas en las especificaciones técnicas. Medida de la distancia entre puntos de la sujeción Medida del cajeado de la sujeción V – 3.8.2) ENSAYOS DE CONTROL DEL PROCESO DE FABRICACIÓN: Tienen por objeto controlar la calidad de los materiales empleados y la bondad de los métodos constructivos. Son controles que los realiza el propio fabricante, a los efectos asegurarse de la calidad del producto terminado. Se verifica la calidad y dosificación de los distintos componentes del hormigón, tales como: granulometría y calidad de los áridos; análisis químico del cemento y del agua de amasado; en la elaboración del hormigón se debe tener especial cuidado en la dosificación de los componentes, muy especialmente la relación agua-cemento, así como la colocación de las armaduras, el curado de las piezas, ensayos de probetas a los 28 días para verificar la resistencia a la compresión del hormigón. También se controla el tensado de las armaduras y la colocación de las sujeciones. V – 3.8.3) ENSAYOS DE CARÁCTER RESISTENTE – ESTRUCTURAL: Se llevan a cabo en piezas aisladas elegidas de un lote en forma aleatoria. A estas piezas se las somete a ensayos de flexión estáticos y dinámicos, tanto en la zona central del durmiente como en las zonas de apoyo del riel. En todos los casos se somete a una carga puntual en la zona donde se desea ensayar, el valor de la carga se va incrementando gradualmente hasta un cierto valor final (el cual dependerá de las exigencias de diseño del durmiente). Luego se observa en un lente de aumento la posible aparición de fisuras. La norma AREMA (USA) fija el valor de las cargas de ensayos para que no ocurra fisuración en cada uno de los ensayos, en tal caso el durmiente será de aceptación. Mientras que la Norma CEN (europea) fija valores de las cargas de ensayo admitiendo fisuras de hasta 0,05 mm. Otros ensayos que se le practican es la resistencia al arranque de los insertos de las sujeciones. 91 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Ensayo del Asiento del Riel sometido a Carga Vertical. Al durmiente apoyado y cargado como se indica en la figura 1, se le aplica una carga que aumenta a una velocidad de 22 kN/minuto, hasta alcanzar el valor P requerida para producir en momento negativo en el apoyo del riel especificado por el cliente. Esta carga debe ser mantenida por no menos de 3 minutos, tiempo durante el cual la pieza debe inspeccionarse para determinar si aparecen fisuras estructurales. Carga La siguiente fórmula es usada para determinar el valor de P Carga La siguiente fórmula es usada para determinar el valor de P P P Almohadilla de caucho (25.4 x 12.7 mm) 2M P= 2X - 75 mm 3 P= 2X Almohadilla de caucho 3 (25.4 x 12.7 mm) 2M - 57 mm dureza 50 IRHD Almohadilla de caucho (50.8 x 25.4 mm) dureza 50 IRHD Almohadilla de caucho (25,4 x 12,7 mm) dureza 50 IRHD X X M = Momento negativo en el apoyo del riel como es requerido (según el art. 4.9 de la norma AREMA) M = momento positivo en el apoyo del riel (según art.4.9 de la norma AREMA) IRHD = International Rubber Hardness Degrees (Grado internacional de dureza del caucho) IRHD = International Rubber Hardness Degrees (Grado internacional de dureza del caucho) Figura 1 - Ensayo del momento negativo en el apoyo del riel Figura 2 - Ensayo de momento positivo en apoyo del riel De la misma forma el durmiente debe ser apoyado y cargado como se muestra en la figura 2 para producir el momento positivo en el asiento del riel especificado por el cliente. Si no aparecen fisuras, la pieza es de aceptación. Ensayo (con prensa hidráulica) de momento positivo en la zona de apoyo del riel Fisuración Ensayo de Cargas Repetidas en el Asiento del Riel. (Ensayo Dinámico) a) Siguiendo el ensayo de carga vertical para momento positivo en el asiento del riel, la carga debe ser incrementada a razón de 22kN/minuto hasta que el durmiente se fisura desde su superficie inferior hasta el nivel de los primeros hilos de pretensado (fisura estructural). 92 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES b) Luego de remover la carga estática en el asiento del riel necesaria para producir la fisuración, y de la sustitución de los suportes de la figura 2 por láminas de 6,35 mm de contrachapado, el durmiente debe ser sometido a 3 millones de ciclos de carga repetida con cada ciclo variando uniformemente entre 17.8 kN y 1,1 P. La carga repetida no debe exceder los 600 ciclos por minuto. Si, luego de la aplicación de 3 millones de ciclos, el durmiente puede soportar la carga de asiento de riel (1,1 P), se considera que la pieza es de aceptación. Ensayo dinámico en la zona de apoyo del riel Ensayo de Momento Negativo en el Centro del Durmiente. Con el durmiente apoyado y cargado como se muestra en el figura 3, se aplica una carga aumentando a razón de 22 kN/minuto hasta que se alcance el momento negativo en el centro de diseño especificado por el cliente. La carga debe ser mantenida por no menos de 3 minutos, tiempo durante el cual la pieza será inspeccionada para determinar si ocurre fisuración estructural, mediante una lente iluminada de no menos de 5 aumentos. Si no se produce la fisuración, la pieza se considera de aceptación. 93 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Carga P Lr /2 Lr/2 (75 mm) (75 mm) Almohadilla de caucho (25.4 x 12.7 mm) dureza 50 IRHD La siguiente fórmula es usada para Almohadilla de caucho determinar el valor de P (50.8 x 25.4 mm) P= Lr2M dureza 50 IRHD 75 mm 2 M=Momento negativo en el centro del durmiente (según el art.4.9 de la norma AREMA) Lr = distancia entre apoyos (mm) IRHD = International Rubber Hardness Degrees (Grado internacional de dureza del caucho) Ensayo (con prensa hidráulica) de momento negativo en el centro del durmiente Ensayo de Momento Positivo en el Centro del Durmiente. Con el durmiente apoyado y cargado como se muestra en el figura 4 una carga aumentando a una tasa no mayor de 22 kN por minuto debe ser aplicada hasta que se alcance el momento negativo en el centro de diseño especificado por el cliente. La carga debe ser mantenida por no menos de 3 minutos, tiempo durante el cual la pieza será inspeccionada para determinar si ocurre fisuración estructural. Una lente iluminada de no menos de 5 aumentos debe ser usada para localizar la fisura. Si no se produce la fisuración estructural los requerimientos de este ensayo habrán sido alcanzados. 94 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Carga P Lr /2 Lr /2 75 mm 75 mm Almohadilla de caucho (25.4 x 12.7 mm) dureza 50 IRHD La siguiente fórmula es usada para determinar el valor de P 2M P= Lr 75 mm 2 Almohadilla de caucho (50.8 x 25.4 mm) dureza 50 IRHD M = Momento positivo en el centro del durmiente (según el art.4.9 de la norma AREMA) Lr = distancia entre apoyos (mm) IRHD = International Rubber Hardness Degrees (Grado internacional de dureza del caucho) Aparición de fisuras Rotura Ensayos de Adherencia y Carga Final de los Elementos de Pretensado. a) El durmiente de hormigón pretensado debe ser ensayado como se especifica a continuación: Con el durmiente apoyado y cargado en el asiento del riel como es mostrado en la figura 2 una carga aumentando a una tasa no mayor de 22 kN por minuto debe ser aplicada hasta obtener una carga total de 1,5 P (la carga P debe ser determinada en ensayo de carga vertical en el asiento del riel para momento positivo). Si no hay un deslizamiento mayor que 0,025 mm, determinado con un extensómetro de lectura de 1/400 mm, los requerimientos de este ensayo habrán sido alcanzados. Las medidas deben ser realizadas en los hilos inferiores más externos. La carga deberá entonces ser incrementada hasta la falla última y la máxima carga obtenida deberá ser registrada. b) El durmiente de hormigón postensado debe ser ensayado, para el anclaje del tensor y para la carga última como se especifica a continuación: Con el durmiente apoyado y cargado en el asiento del riel como es mostrado en la figura 2 una carga aumentando a una tasa no mayor de 22 kN por minuto debe ser aplicada hasta obtener una carga total de 1.5 P. Si el durmiente puede soportar esta 95 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES carga por un período de 5 minutos los requerimientos de este ensayo habrán sido alcanzados. La carga deberá entonces ser incrementada hasta la última falla y la máxima carga obtenida deberá ser registrada. Ensayo de los Insertos de la Sujeción Los insertos de la sujeción deben estar sujetos a ensayo de arranque y ensayo de torque como sigue: a. El ensayo de arranque deberá ser ejecutado en cada inserto como muestra la figura 5. Una fuerza axial de 53,4 kN debe ser aplicada en cada inserto separadamente y mantenida por no menos de 3 minutos, tiempo durante el cual una inspección debe ser hecha para determinar si allí hay algún deslizamiento en el inserto o alguna fisura en el hormigón. NOTA: La fisuración del mortero en la vecindad del inserto no es causa de falla. Si las fallas ocurren, entonces los requerimientos de este ensayo no habrán sido alcanzados. La incapacidad del inserto de resistir por si mismo a 53,3 kN de carga sin deformación permanente constituirá también un motivo de falla de la prueba. Carga P = 53.3 kN 200 mm Apoyo (constituido por material aprobado por el Ingeniero) Durmiente de Hormigón Inserto Figura 5 - Ensayo de arranque del Inserto b. A continuación del ensayo de arranque del inserto pasado satisfactoriamente, el ensayo de torque deberá ser realizado en cada inserto. Un torque de 339 N.m deberá ser aplicado sobre el eje vertical del inserto con un llave de torque calibrada a través de un dispositivo apropiado al inserto. El torque deberá ser mantenido por no menos de 3 minutos. La capacidad del inserto para resistir ese torque sin rotación, fisuración del hormigón o deformación permanente constituirá la aprobación de esta prueba. V – 10) DURMIENTES SINTETICOS Los durmientes de material sintético están en proceso de experimentación. Los primeros en aparecer fueron fabricados en poliuretano, y actualmente se están haciendo ensayos con fibra de vidrio ó carbono. Tienen forma paralelepipéda y su peso es del orden de los 40 Kg. 96 TRANSPORTE FERROVIARIO DURMIENTES Por ahora, se los limita a los sistemas urbanos ya que tienen la ventaja de que disminuyen el ruido y presentan un elevado aislamiento eléctrico, pero no soportan cargas superiores las 10 toneladas por eje. 97
