Diseño construccion y conservacion de vias ferreas

PARTE I.

Capitulo I.

La vía férrea

1.1. – Introducción.

Características del transporte ferroviario

Características del material rodante ferroviario.

El ferrocarril tiene la característica de ser un transporte guiado, sus movimientos están limitados a la ubicación de los carriles o rieles.

Es un transporte seguro, estable y económico, aunque su costo inicial es muy elevado. El consumo de combustible de un tren es 3 veces menor que el de un equipo de carretera para iguales cargas y distancias. La carga llega a destino toda al mismo tiempo, requiere menos personal para su traslado y generalmente sus tarifas por kilómetro son más baratas.

El material móvil ferroviario tiene también características propias que lo hacen distinto al resto de los medios de transporte.

Son guiados, es decir que se inscriben según la posición de los carriles por donde circulan.

Las ruedas de los equipos ferroviarios están fijados a los ejes (calado), lo que los hace más fuertes pero tiene el inconveniente de que al entrar en las alineaciones curvas resbala una con respecto a la otra, para evitar esto las ruedas se construyen de forma cónica, lo que permite que al circular por las curvas, las ruedas tengan una misma velocidad lineal, debido a la diferencia de diámetro en las ruedas.

Para evitar que las ruedas se salgan de los carriles, éstas tienen pestañas en su borde interior.

Las cargas, excepto en las locomotoras de vapor; se aplican en el exterior de los ejes, en las manguetas o muñones. Esto permite que el equipo sea más ancho y por ende permitir más cargas, esto último también es posible por estar la carrocería o caja sobre las ruedas.

Los ejes son paralelos en cada bogie (truck o carretilla), para girar en una curva se realizan dos movimientos, uno alrededor del eje del radio de la curva y otro alrededor de un punto denominado centro de giro del truck o bogie ( Ver fotos en anexo).

Tipos de material rodante: Los equipos ferroviarios se ubican en dos grupos. Equipos tractivos y equipos de arrastre.

Los equipos tractivos son los que generan el movimiento, pueden ser: locomotoras, coches motores y otros equipos automotores, como grúas, autodresinas, etc.

Todos los equipos tractivos, sea cual fuere el combustible que utilicen, tiene un grupo de equipamientos adicionales como son: generador de corriente, para su alumbrado y energía necesaria, compresor, para la producción de aire para el sistema de frenado y para la expulsión de la arena que utilizan para dar mayor adherencia en su marcha, tanto a la arrancada como al frenar.

Las locomotoras según la energía que utilicen pueden ser:

De vapor: como combustible pueden utilizar: carbón mineral, fuel oil o madera según su fabricación. El vapor producido hace mover los pistones que a su vez mueven las barras que están unidas a las ruedas. Este tipo de locomotora aún se utiliza.

Diesel – eléctricas, el motor de combustión interna mueve un generador que produce la electricidad necesaria para mover unos motores eléctricos de tracción instalados en los ejes de los bogies.

Diesel – hidráulicas, el motor diesel alimenta unas bombas de presión que hacen mover el mecanismo de los ejes de los bogies de las locomotoras o las barras unidas a las ruedas, semejantes a las de las locomotoras de vapor

Eléctricas, se mueven por la electricidad que toma de las conductoras eléctricas instaladas.

(Catenaria) y un sistema de transformadores para los distintos usos del tren.

Equipos de arrastre, vagones. (ver figuras en anexo)

Los vagones pueden ser para cargas, expresos o para pasajeros, cada uno de ellos con sus características específicas.

Los equipos para cargas, según el tipo de mercancía que traslade pueden ser:

Casillas, equipos cerrados con puertas de cierre hermético o casi hermético, que se utiliza para el traslado de productos envasados, tanto en cajas como en sacos, que requieren de cierta protección contra el intemperismo, las hay refrigeradas, para trasladar mercancías de fácil descomposición.

Cajones o góndolas, estos equipos son abiertos por arriba o presentan barandas altas, se utilizan para la carga de mercancías a granel, fundamentalmente granulados.

Planchas o plataformas, equipos lisos, para cargas de gran dimensión. Pueden ser de varios tipos como, con el piso deprimido, para cargar elementos altos se denomina calandria, cuando tiene instalados elementos que sirven para fijar los contenedores al piso y evitar su caída o vuelco. , se llaman porta contenedores, se llaman trineos, las planchas que tienen en el piso un sistema de rodillos para trasladar cargas que se coloquen en la vía como carriles, campos o eslabones, etc

Cisternas para líquidos, silos para cereales.

Tolvas para materiales que se descarguen por gravedad, como piedra para el balasto, azúcar a granel, etc.

Jaulas para la carga de ganado y para caña de azúcar

1.2. – LA INFRAESTRUCTURA DE LA VÍA FÉRREA. Generalidades.

Función de la infraestructura. La infraestructura es la obra ingeniera que se obtiene mediante el movimiento de tierra para llevarla al estado tal, que permita la colocación en su superficie de la superestructura de la vía férrea.

La superestructura de la vía férrea no se coloca directamente sobre la superficie de la tierra debido a sus irregularidades.

Para su colocación, se requiere que en los lugares donde el nivel del terreno se halle por debajo de la rasante proyectada se rellene y en el caso contrario se corte, es decir sea confeccionada una faja de vía de ancho y alto determinado a todo lo largo del tramo diseñado denominada explanación, explanada o plataforma. De esta forma se obtienen terraplenes cuando el nivel de la rasante proyectada se halla por encima del nivel de terreno y excavaciones o cortes en el caso contrario, relacionados muy estrechamente con los drenajes y obras de fábrica necesarias para la evacuación de las aguas o para salvar obstáculos que se interpongan en la dirección de la vía

Las características del ferrocarril hacen que su trazado sea lo más recto y llano posible, por lo que se trata de que no se produzcan pendientes de grandes dimensiones y curvas horizontales de cortos radios. No obstante por la presencia en la superficie terrestre de elevaciones con fuertes pendientes, depresiones, lagunas, ríos, etc.; se precisa construir las explanadas no sólo en rasante sino además con pendientes, rampas, curvas, etc.

En los lugares donde se crucen con ríos, arroyos, depresiones, o elevaciones, etc.; se construyen puentes, viaductos, alcantarillas o túneles, así como canales, canaletas, cunetas y zanjas con vista a conducir las aguas pluviales hacia los arroyos o ríos, también se construyen obras protectoras como banquetas, muros de contención, para evitar deslaves o corrimientos de las capas de suelo.

En la infraestructura, debido a la carga de los equipos ferroviarios o por factores climáticos, no deben producirse deformaciones residuales ni sus valores deben superar los valores permisibles. Por eso se deben construir con materiales poco deformables, compactarse adecuadamente y construir los drenajes necesarios.

Tipos de explanaciones y sus elementos constructivos. En dependencia de que sea necesario rellenar o cortar las masas de tierra para construir la explanación, se construyen los terraplenes o las excavaciones respectivamente.

Cuando se construyen las explanaciones en laderas, se pueden obtener una combinación de estas dos formas de construir la infraestructura, denominándose semi- excavación, semi- terraplén o semi terraplén- excavación. El punto de traspaso de una excavación a un terraplén donde el nivel de la rasante es igual al nivel del terreno natural, donde no es necesario ni rellenar ni cortar; se denomina punto 0 ó rasante 0. Excluyendo los puntos 0 rasantes 0, incluso en los lugares donde la capacidad portante del terreno lo permita, no debe construirse la explanada a nivel del terreno, para protegerla de posibles inundaciones.

La faja del terreno donde se construyen las explanadas se denomina base. La parte superior, donde se coloca la superestructura de la vía se denomina corona. Ella está limitada por los taludes.

El punto donde se corta la corona con el talud se llama borde de la corona

El punto donde se corta la base de la explanada y el talud se denomina pie de talud.

El espacio entre el pie de talud y la obra de drenaje más cercana se denomina berma.

La altura de la explanada se determina por su eje desde el nivel de la corona hasta el nivel del terreno. La profundidad de la excavación se determina por el eje de la vía desde el nivel de la corona hasta el punto donde se corta el eje de la vía y la línea que une los dos bordes del talud. La relación de la proyección vertical del talud con la horizontal, se denomina curvatura del talud.

La configuración de la explanada se construye de tal forma que no permita que se deposite agua en la superficie, así como permitir la posibilidad de colocación de las traviesas o los campos pre ensamblados antes del riego del balasto, sin que se afecte la calidad de la compactación.

En vías sencillas la corona de la plataforma se construye en forma trapezoidal, teniendo en su centro un espacio entre el eje y su borde de 1.15 m. elevada sobre la horizontal a 0.15 m.

Esta configuración permite colocar sobre ella las traviesas y los carriles, para que puedan circular los trenes de obra y aunque el espacio de 2.3 m es menor que el largo de las traviesas, excluye la formación de aplastamiento en la explanada por la presión de la traviesa. En doble vía se le da forma triangular con su vértice elevado sobre la horizontal a 0.20 m.

La dimensión de la plataforma de la explanada por ancho se establece de tal forma que entre el prisma de balasto y el borde del talud haya un espacio para el paso de los trabajadores de vía denominado paseo. Este espacio permite además la estabilidad del prisma de balasto y la propia explanación. El ancho del paseo deberá tener entre 0.6- 0.7m, y se permite como mínimo 0.5m. Al construir o reparar la explanada se tiene en cuenta que la estabilidad del suelo y su capacidad de soportar determinada carga se reduce en un grado significativo cuando se humedece. Además cuando las corrientes de aguas superficiales son grandes puede surgir deslizamiento del suelo. Por eso, para garantizar la estabilidad de la explanada se construyen obras de drenaje de distintos tipos como; canaletas, canales, zanjas y los taludes se fortalecen.

Para desecar la explanada, debido a que existan en el trazado zonas pantanosas o lugares donde pueda depositarse las aguas pluviales, se construyen canales longitudinales: en los terrenos llanos se construyen en ambos lados de la explanada, en los tramos construidos a media ladera en la parte alta. En lugares donde el terraplén se construye con suelo del lugar, en préstamos cercanos al lugar de emplazamiento, para desviar las aguas se de la explanada se construyen reservas con pendiente hacia la parte más alejada de la explanada

En las excavaciones el material que se extrae de los cortes de no ser usado en los terraplenes cercanos, como caballero, se construye con él banquetas ubicadas en la zona alta de la ladera., además para derivar las aguas hacia los arroyos o ríos más cercanos se construyen canales.

Secciones transversales.

Clasificación de las secciones transversales. Las secciones transversales según las condiciones en que van a ser utilizadas se clasifican en: típicas e individuales, las típicas a su vez se sub dividen en: normales y especiales.

Son típicas las secciones que tienen una altura de terraplén o profundidad de excavación menor de 12m construidas sobre suelos de características normales de buena consolidación que satisfacen la calidad en condiciones geológicas e hidro – geológicas normales que no requieren de cálculos especiales para su diseño.

Si los terraplenes se construyen con suelos compuestos por rocas poco disgregadas se pueden construir hasta de 20 m de altura.

Las secciones que tienen uso generalizado se denominan normales y los que se utilizan en lugares específicos (suelos rocosos, pantanoso, arenas, loes) se denominan especiales.

Son individuales aquellas secciones que se diseñan para condiciones en que las secciones típicas no pueden utilizarse. Si la altura es mayor de 12.0m, cuando se diseñan vías en medias laderas con pendientes mayores de 1:3; así como, cuando se diseña en condiciones ingeniero- geológicas no deseables (en suelos con alto nivel de humedad, cuando el manto freático se encuentra casi en la superficie, en tramos con laderas inestables, en cortes con estratificación inclinada en más de 1:3 hacia el lado de la explanada); si la confección del corte se hace con explosivos o por medio hidro mecánicos; en pantanos de más de 3 – 4 m de profundidad; sobre cauces, barrancos, etc.; si se construye una explanada en tramos con posible desarrollo de derrumbes, deslizamientos del terreno, así como en regiones con temblores de tierra.

El ancho de la corona se determina por las dimensiones del prisma de balasto que se va a colocar en ella y el ancho del paseo, que se necesite para garantizar la estabilidad de la explanada y de las necesidades en la explotación, en doble o más vías, también depende de la distancia entre ejes de carrileras. Los anchos más comunes para vías sencillas son: 5.50m y 6.00m, para doble vías 6.00m + E, donde E es el ancho del entrevías. (ver anexos)

En las excavaciones se permite reducir la anchura de la explanación cuando se usan muros de contención o en trincheras hechas en rocas estables, poco erosionables y sin desprendimientos, determinándose la distancia desde el eje de la vía extrema hasta el muro o hasta el talud de la trinchera a nivel de la base de la traviesa en dependencia de los métodos de trabajo que ser asuman para la excavación. Esta distancia no será menor de 3.7m a cada lado parta líneas de clase I y II; y no menor de 3.7m a un lado y 3.0m a otro para líneas de clase III; IV y V.

En los tramos curvos la anchura de las explanaciones tendrá un sobreancho por el lado exterior con los siguientes valores:

Tabla 1.1 Sobre ancho en las explanaciones

En tramos de dos o más vías y por entrevías no mayores de 4.50m las magnitudes anteriores se incrementarán con el sobre ancho necesario para las entrevías en curva el cual se obtendrá por cálculos en función de la longitud del equipo rodante, el radio de la curva y la superelevación de las vías.

Para entrevías mayores de 4.50m no se requerirá dicho incremento.

Taludes de la explanación. Los taludes se establecen según el tipo de suelo con que se construyen y la altura del terraplén o la profundidad de la excavación, en este último caso se tiene en cuenta las condiciones geológicas de la región donde se construye la explanada.

En condiciones ingeniero- geológico, favorable las pendientes de los taludes se construyen con las siguientes medidas:

Para profundidades de trincheras mayores de 6.0 m se construirán bermas cada 6.0m a partir del fondo de la misma. La anchura de la berma estará en dependencia del tipo de suelo, no debiendo ser menor de 1.5 m. para suelos arcillosos y limosos húmedos o grasosos o en rocas fácilmente alterables, la anchura no será menor de 2.0 m.

En suelos rocosos de difícil alteración, en condiciones ingeniero – geológicas favorables y cuando se utilizan explosivos colocados en terrenos previamente perforados, se permiten taludes verticales.

En suelos arcillosos o limosos en regiones excesivamente húmedas, las pendientes de los taludes serán de 1:2. La profundidad de la excavación no será mayor de 6.0m. para profundidades mayores se realizarán diseños individuales.

Tabla 1.2 Pendientes de los taludes de los terraplenes.

Tabla I.3 Pendientes de los taludes en excavación.

Obras de fábrica.

Como ya dijimos las obras de fábrica se construyen, cuando en el trazado se encuentran obstáculos con sus cotas de nivel diferentes a la cota de la explanada, como ríos, arroyos, furnias, montañas, etc.

Las obras de fábrica pueden ser mayores o menores. (ver anexos).

Obras de fábrica mayores. Son mayores, aquellos que rompen la continuidad de la explanada, como puentes, túneles y viaductos. Los puentes y viaductos a su vez pueden ser según el material con que se construyan: de madera, de metal, de hormigón y combinados por varios materiales.

Según su construcción pueden ser, de cama abierta o cerrada

Son de cama abierta las que son construidas por vigas y las sustentaciones se colocan directamente sobre ellas.

Son de cama cerrada los que la superestructura de la vía se encuentra sobre una capa de balasto.

Los viaductos son obras de fábrica mayores que se construyen cuando en el trazado la diferencia de nivel entre el terreno y la rasante es tal que los terraplenes serían tan altos que su costo sería mayor que la construcción de una estructura.

Los túneles también son obras de fábrica mayores, su construcción se determina cuando al igual que en los viaductos la diferencia de niveles es excesiva y el costo de su construcción es inferior al costo de profundas excavaciones o vadear la montaña.

Obras de fábrica menores. Son obras de fábrica menores aquellas que no cortan la continuidad de las explanadas.

Se conocen con el nombre de alcantarillas y pueden ser: de arcos, de tubos, de cajones y prefabricadas llamadas también en Cuba pata de elefante por la forma de su base.

Obras de drenaje. Drenaje de aguas superficiales

La estabilidad y resistencia de las explanaciones dependen en gran medida a la presencia y buena asimilación de las obras de drenaje y su buena construcción, el ángulo de fricción interna del suelo, su fuerza de adherencia, su capacidad portante en régimen de humedad disminuyen considerablemente. Si aumenta la velocidad de la corriente, el agua puede socavar la explanación. Por eso se toman medidas para contrarrestar el humedecimiento y socavación de la explanada. Estas medidas consisten en que ante todo debe garantizarse una corriente de las aguas lo más lenta posible y que las obras sean capaces de evacuarlas lo más rápidamente posible o disminuir el nivel de las aguas hasta el mínimo.

Para evacuar las aguas superficiales de las explanaciones, se construyen cunetas, canales de derivación, drenes de distintos tipos, etc.

Las pendientes longitudinales del fondo de las cunetas, estarán en los límites entre 0.3-0.8% pero con cubrimientos especiales pueden llegar a ser pendientes mayores. La sección transversal de estas cunetas, canales o canaletas se calculan en dependencia del gasto. La menor profundidad se determina como el nivel máximo de las aguas más 0.2 m, pero en todos los casos la profundidad no debe ser menor de 0.6m. Los taludes no menores de 1:1.5. La ubicación, las medidas de la sección y los taludes se proyectan de tal forma para que el agua circulase por ellas sin que se desborde y sin que la velocidad fuese tal que no socavase ni deslavase y al mismo tiempo no dejase residuos sólidos del arrastre.

En planta las cunetas se ubican en línea recta, perpendicular al lugar donde desagüe. Se diseñan además pendientes transversales en las cunetas y canales para que el agua no regrese a la explanada. En perfil, las cunetas y canales se construyen con una pendiente del 2% y en algunas líneas de I categoría pueden llegar hasta un 4%.

(Ver figura en anexo).

CAPITULO II:

La superestructura de la vía férrea

La superestructura de la vía férrea se compone de varios elementos como son: carriles, traviesas, elementos de sujeción o pequeño material de vías, elementos de apoyo y aparatos de vías.

2.1. – Carriles. Función de los carriles. Composición química del acero para carriles. Perfil del

carril. Tipos de carriles.

Función de los carriles.

Los carriles son elementos de acero laminado sobre los cuales de desplazan las ruedas de los equipos rodantes. Tienen la función de recibir las cargas que provienen de las ruedas y trasmitirlas hacia los apoyos, así como deben ser lo suficientemente resistentes como para soportar las cargas debidas al movimiento de serpenteo de los equipos ferroviarios, sin sufrir grandes deformaciones tanto en el plano horizontal como en el vertical. Estos movimientos aplicados al carril le traen asentamiento en los apoyos, flexión en los planos, torsión, aplastamiento, desgaste y algunas veces partidura del metal, así como la deformación de la vía en su conjunto que se representa por pandeos.

Las fuerzas fundamentales que determinan el contorno general del carril son: fuerzas verticales (peso del equipo afectado por un coeficiente dinámico al ponerse en movimiento el equipo) que flexan al carril como a una viga con apoyos elásticos. La forma de la sección transversal del carril se determina a partir de este parámetro y se comprueba para garantizar la explotación normal del mismo, tomando las acciones que actúan sobre la vía. la mejor forma de elemento portante para trabajar a flexión bajo carga estática es la viga I. Esta forma quedó como base para la confección de los carriles, aunque con modificaciones en su perfil. Para esto el ala superior se hizo más volumétrica con el fin de obtener mayor superficie de apoyo para las ruedas, se mantuvo la garganta estrecha y la base se modificó en cuanto a volumen y configuración. En nuestros días se utilizan carriles con cabezas o corona en ambos extremos y otros con su base o patín muy anchos. El carril trabaja a flexión en su totalidad, la corona trabaja además al aplastamiento y al desgaste y cuando no existe suficiente resistencia, debido a la alta presión de contacto del material rodante; la corona tiende a laminarse, por la acción ininterrumpida de las ruedas. Es por ello que en la corona del carril se concentra una gran cantidad de metal que garantiza una alta resistencia al desgaste. Debido a que los extremos de los carriles deben unirse unos con otros (juntas), esta unión debe ser resistente, el perfil del carril debe hacer que se cumplan esos requisitos.

A mayor carga por rueda, a mayor velocidad de movimiento del equipo rodante, a mayor volumen o tensión de carga que circule sobre el carril; mayor deberá ser su resistencia (mayor momento de inercia, mayor módulo de sección), mayor la resistencia al desgaste, mayor deberán ser su dureza, la viscosidad de su metal, su resistibilidad, tensiones local y total, especialmente la de contacto. La resistencia total a la flexión, su dureza y su resistencia al desgaste en general lo garantizan el uso de aceros de alto contenido de carbono. Por eso los carriles más potentes y pesados, generalmente tienen alto contenido de carbono

Composición química de los aceros para carriles. Con el aumento del contenido de carbono en el acero Martin de 0.4 a 0.63 %, se puede aumentar la resistencia al desgaste en 7 veces y si se aumentara de 0.63 a 0.70% en un 30 %, sin embargo; el aumento del contenido de carbono hasta un 0.89% asumido en un tiempo en los ferrocarriles de los Estados Unidos, para los carriles más pesados, trajo como resultado una fragilidad no permisible en el carril en relación con los utilizados anteriormente, por lo que se ha limitado desde hace varios años el contenido máximo de carbono a un 0.82%. No obstante debe prevenirse de la influencia negativa del carbono por el aumento de la fragilidad.

El papel que juega cada uno de los elementos que componen el carril es el siguiente:

Carbono: aumenta la resistencia al desgaste aunque también aumenta la fragilidad cuando se utiliza en exceso, como vimos en puntos anteriores.

Manganeso y Silicio, dan dureza y resistibilidad al desgaste.

Fósforo, crea quebradura en frío, lo que es perjudicial en climas severos.

Azufre, crea quebraduras al rojo, lo que trae grandes defectos en el proceso de fabricación, por lo que su contenido es muy pequeño, el ÁREA recomienda no usarlo.

Arsénico aumenta la resistencia al desgaste y la dureza, pero baja en algo la resistencia a la fatiga y a la fragilidad, así como la viscosidad al impacto, especialmente cuando hay baja temperatura. La presencia de arsénico en la composición del acero para carril se permite sólo en 0.15%.

Como el carril se desgaste con mayor frecuencia en las juntas (entre 1.5 y 2 veces más que en el centro), se le hace un tratamiento térmico en sus extremos (sorbitización) de su superficie de rodadura en una profundidad de no menos de 4 mm del borde del carril en una longitud de 80 mm. La transición de la capa templada a la no templada, se realiza de forma paulatina, suavemente, tanto en la sección transversal como en la longitudinal. La capa templada debe comenzar a una distancia no menor de 4 mm del borde del carril y en la sección transversal no debe extenderse más bajo del comienzo de los bordes curvos de la corona. La dureza de los extremos templados de los carriles debe estar en los límites de 300 – 401 unidades de dureza Brinell.

Tabla 2.1.Composición química de los aceros utilizados para carriles.

Perfiles..La superficie de la corona del carril se construye de forma convexa, para una mayor centralización en la transmisión de las presiones y el aumento de la resistencia del metal por las altas presiones de contacto que llegan hasta 1100 – 1400 MPa. Para reducir las tensiones de contacto, la parte media de superficie de rodadura se construye con un gran radio (R1= 300mm), que pasa a un radio más pequeño R2 = 80mm y al final un pequeño radio de 13mm (r1). El radio r1 concuerda con el radio de la pestaña de las ruedas de las locomotoras lo que permite un apriete consistente entre ambos, debido a la influencia de las fuerzas horizontales transversales y lo asegura de posibles arrastres de la rueda sobre el carril. En algunos carriles se mantiene una vieja configuración que consiste en el que no se incluye el radio R2. En países como los Estados Unidos, en algunos países de Europa y en Japón, se utilizan con mucha frecuencia los carriles con coronas en forma de caja y es recomendado por la Asociación Internacional de Ferrocarriles (UIC).

El ancho superior de la corona se limita a valores entre 70 y73 mm para disminuir la excentricidad (C), incluso cuando se limitan las cargas verticales (P) (para los carriles mayores de P50, C= 24.9- 26.6 mm).El ancho inferior de la corona le garantiza una cantidad racional de material y reduce en algo la diferencia de velocidad de enfriamiento de la corona y el patín después de laminado, además esto se hace necesario para la creación de un área de apoyo de las mordazas suficiente en la zona de las juntas. Los carriles rusos se construyen con ensanchamiento en el área inferior con una pendiente de 1:20, esto lo recomiendan algunos ferrocarriles e incluso hay dos grandes empresa que aplican estos métodos en los Estados Unidos (la Chesapicks Ohio y la Baltimore Ohio, en los carriles SV 122) y en Alemania en el UIC 60. Los carriles norteamericanos RE 115, RE 133 y RE 140 utilizan una pendiente de 1:14.3.

Tanto el borde inferior de la corona del carril como el borde superior del patín se construyen inclinados para crear un paso suave hacia la garganta. A mayor ancho de la corona en el borde inferior; mayor contenido de carbono en el acero, así como mientras más suave se construye este paso, mayor deberá ser el ángulo entre la línea horizontal que corta el punto donde se cortan las pendientes del patín con el eje vertical del carril y la pendiente para crear una uniformidad en el enfriamiento del carril en su totalidad y así disminuir las tensiones en la transición de la corona a la garganta. esto al mismo tiempo mejora la compresión del metal en la corona en el proceso de laminación; con un mismo gasto de metal en la corona se aumenta el peralte del carril y por ende el momento de inercia.

El borde inferior de la corona y el superior del patín sirven de apoyo a las mordazas en las juntas, las que como cuñas se colocan entre ellos, apretando la corona y el patín. Las mordazas deben proyectarse de tal forma que cuando aprieten no toquen a la garganta. Esto es necesario para que el desgaste de la superficie de apoyo del carril y la mordaza sea el mínimo y las mordazas debido a su apriete se puedan desplazar en el seno del carril y queden ajustadas en el apoyo. El espacio entre las mordazas y la garganta tiene valores entre los 3 y 6 mm.

El espesor del patín en sus extremos, se construye anchos para que no se enfríen rápidamente en el proceso de laminación, para que el metal no se haga frágil ni se presenten grietas en el templado. En los carriles actuales este espesor varía de 9 a 15 mm. (ver anexos)

Determinación del tipo de carril de acuerdo al peso por unidad de longitud. Para la determinación del peso de los carriles a utilizar en un tramo hay que conocer las características del equipo que circulará por él y la densidad del tráfico a circular y la velocidad de circulación. Conociendo estos datos podemos determinar que tipo de carril se requiere para el lugar dado.

Con este fin se han planteado varias teorías, la primera fue propuesta en el Congreso Ferroviario del Cairo y consiste en determinar el paso del carril a partir del peso por eje del equipo más desfavorable, teniendo la forma:

G= 2.5 P Donde P viene dado en Toneladas

V – en kilómetros por horas.

Esta expresión es racional para

V( 160 Kph

Yershov propuso utilizar la velocidad como medio para hallar el peso del carril, y la expresión utilizada fue la siguiente:

G en Kg./m

Shulga propuso utilizar el ciclo de carga circulante por la vía en cuestión para determinar el tipo de carril y formuló la siguiente expresión:

G = 31.046T0.203…………..II. 3

Donde T, en millones de toneladas al año.

Shajunianz propuso unificar todas estas expresiones en una y formuló la siguiente expresión:

Donde: a- coeficiente que toma el valor de 1.2 para vagones y 1.13 para locomotoras

V- velocidad máxima en KPH

P- Carga por eje del vehículo más desfavorable en T.

El campo de aplicación de estas fórmulas abarca hasta velocidades menores o iguales a 160 KPH

Tabla 2. 2 Comparación de los resultados obtenidos para la determinación del carril

a utilizar en los proyectos.

De los resultados obtenidos se escoge la de mayor valor.

Tipos de carriles más conocidos y sus características

Tabla 2.3. Características técnicas de los carriles.

Longitud de los carriles. Espaciamiento. Para evitar el pandeo de la vía se dejan espacios libres entre cada uno de ellos por lo que se ve limitada la longitud de estos elementos. Estos espaciamientos denominados calas se hacen con vista a permitir el desplazamiento longitudinal del carril por dilatación o contracción bajo la acción de los efectos de la temperatura.

Este espaciamiento debe ser de tal magnitud que al dilatarse el metal no se topen los carriles uno con otro o que al contraerse no provoque cizallamiento en los tornillos de las mordazas. Si ninguno de estos dos fenómenos se produce estamos en presencia de una junta que supera todas las tensiones en los ciclos anuales, manteniendo un espaciamiento estable. Si obtenemos este resultado en todos los carriles colocados en un tramo, podemos prescindir de las juntas a corta distancia, es decir podemos alargar la longitud de los carriles. Este carril se denomina carril sin junta o carril largo soldado. Cuando los elementos de fijación que posee el carril están lo suficientemente apretados, se logra que el centro de la barra se encuentre tensionado y sólo ocurra el desplazamiento en los extremos del carril. (esto lo veremos en el tema referente a los carriles largos soldados).

Defectos de los carriles. Por las vías ferroviarias circulan trenes con cargas considerables y a altas velocidades. Sus ruedas al circular por la vía golpean al carril con una fuerza que oscila entre los 100 y 150 KN, dicha fuerza se ve afectada por un coeficiente dinámico debido a la velocidad que provoca un aumento considerable sobre el efecto que esta fuerza provoca en la vía. Este efecto crea deformaciones elásticas, debido a la característica elástica de la superestructura de la vía, que con el tiempo va convirtiéndose en deformaciones residuales.

La continua circulación de los equipos sobre los carriles va creando en ellos desgastes y defectos, los cuales son trasmitidos a las traviesas, a las fijaciones y estas al balasto y por ultimo a la explanada.

En los carriles se producen defectos por varias razones, las cuales enumeraremos en este epígrafe.

Tabla 2.4 Desgaste de los carriles (* Nota: El valor entre paréntesis es el desgaste vertical).

Desgastes. El desgaste se produce debido al contacto entre la pestaña o la llanta (superficie de rodadura) contra el carril. Este desgaste puede ser vertical u horizontal. El desgaste horizontal se produce principalmente en las curvas por el roce e impacto entre la rueda guía con el borde de trabajo de la corona del carril. El desgaste vertical la produce la llanta de la rueda, principalmente cuando se encuentra en zona de frenado o aceleración. El desgaste equivalente, es la suma del desgaste vertical y la mitad del desgaste horizontal o lateral.

El desgaste permisible en los carriles, es el desgaste equivalente máximo que permite que los trenes circulen por una vía. El desgaste vertical es el que más afecta, pues de llegar a tener el carril un desgaste excesivo puede provocar que las pestañas de las ruedas golpeen los tornillos de las juntas y con ello deteriorar este punto de la vía que se considera uno de los más peligrosos.

(Ver tabla 2.4)

El desgaste vertical se mide en el centro del carril y el desgaste lateral a la altura igual a 13 – 14mm del nivel de rodadura del carril. Los Defectos se miden con calibradores especiales.

Defectos. Los Defectos de los carriles pueden ser producidos en el proceso de fundición o por efecto de los equipos. Existe una clasificación que comprende 9 grupos.

Al grupo 1 pertenecen los Defectos por laminación y desmoronamiento del metal en la superficie de rodadura, producidos por fisuras internas o por defectos de fabricación, también se deben al acelerado y frenado.

Al grupo 2 pertenecen las fisuras transversales en la corona del carril y las roturas debido a estas causas. Las causas pueden ser por Defectos de fabricación o por impactos dados por la pestaña de la rueda.

Al grupo 3 pertenecen las fisuras longitudinales en la corona del carril. La laminación puede ser vertical u horizontal. La causa principal es por defectos de fabricación: metal contaminado por elementos no permitido en el proceso de fundición, acumulación de fósforo y azufre en alguna parte del elemento, así como otros deterioros de la estructura del metal. La fisura longitudinal se desarrolla por bandazos, baches, incorrecta súper elevación en el carril exterior de la curva.

Al grupo 4 pertenecen el aplastamiento y desgastes no uniforme de la corona del carril. Los aplastamientos ocurren en los extremos del carril donde se crea una ondulación semejante a la silla de montar. En estos Defectos se produce en la mayoría de los casos rebabas a un lado y otro. Se observa frecuentemente en carriles fabricados con acero blandos. Su aceleración lo producen las juntas bajas, las calas topadas o muy abiertas. Los desgastes ondulatorios se producen con mas frecuencia en los tramos de aceleración y frenado y muy característico de los tramos donde circulan locomotoras diesel y locomotoras de tracción elástica.

Al grupo 5 pertenecen los defectos en el alma del carril o debajo de la corona del carril. Se producen por la incorrecta colocación del carril sobre las sillas, poco mantenimiento de la súper elevación del carril exterior de la curva.

Al grupo 6 pertenecen los defectos y deterioros en el patín del carril.

Estas fisuras llegan a romper una parte del patín o hacer que el patín se seccione.

Estas fisuras se producen como resultado de defectos fabriles de fundición.

El desarrollo de estas fisuras es posible como consecuencia de un mal mantenimiento a las vías, por falta de apoyo del carril en la silla, por inclinación brusca del carril hacia el eje de la vía, así como inclinaciones longitudinales debido a bandazos. El impacto que le da la rueda al carril provoca el surgimiento de tales fisuras. El peligro mayor lo representan las fisuras internas o burbujas en el centro del patín.

Al grupo 7 pertenecen aquellas roturas que presenta el carril en toda la sección, exceptuando las indicadas en el grupo2, esos debidas a inclusiones sólidas en el metal, por el impacto de las ruedas con planos.

Al grupo 8 pertenecen los defectos por flexión del carril que generalmente se producen por impactos bruscos o por accidentes sobre la vía.

Al grupo 9 pertenecen los defectos no incluidos en los 8 grupos anteriores.

2.2- Fijaciones o sujeciones (Pequeño material de vías) Las fijaciones o sujeciones pueden ser periódicas o frecuentes y de juntas. Las periódicas son las que unen al carril con las sustentaciones, las de juntas son las que unen los carriles entre sí. (ver anexos)

Fijaciones periódicas o frecuentes. Función. Las fijaciones periódicas según la forma con que unen al carril con las sustentaciones pueden ser:

Directas, cuando con cualquier elemento de fijación se unen directamente al carril con la s sustentaciones sin que haya un escalón intermedio. Ejemplo en las traviesas de madera cuando no se usan sillas se fija el carril con los clavos directamente a la traviesa.

Indirectas, cuando un elemento de sujeción une al carril con un tercer elemento y este a su vez se une a la sustentación

Mixta, cuando al mismo tiempo se unen los tres elementos.

Este tipo de fijación debe ser capaz de:

a . – que el ancho de la trocha se mantenga inalterable el mayor tiempo posible.

b.- permitir que puedan realizarse trabajos de restauración, mantenimientos y reparaciones.

c. – Fijar al carril en evitación de deslizamientos transversales y longitudinales de la vía.

d – Ser elásticos, garantizar la elasticidad volumétrica en óptimas condiciones y mantener la elasticidad entre ellas y el resto de los elementos.

e – tener la menor cantidad posible de piezas, ser sencillas, fiables, fácil de colocar y económicos.

Fijaciones para apoyos de madera. Las fijaciones para apoyos de madera sin utilizar sillas fueron las primeras empleadas en el mundo ferroviario, por supuesto son los más corrientes En este tipo de fijaciones se utiliza el clavo como elemento de unión entre el carril y los apoyos, es decir que el clavo se coloca directamente en la traviesa y su cabeza, construida especialmente para este fin; se apoya contra el patín del carril. Este tipo de fijación es directa y en la actualidad se utiliza también como elemento de unión, el tornillo tirafondo, el cual se enrosca en la traviesa. También se utilizan clavos o grapas elásticas, que consisten en dos barras de acero al muelle unidas estrechamente, dobladas en uno de sus extremos y el otro extremo en forma de saeta, que es clavado de la misma forma que se clava el normal, y que su doblez se usa para apoyarse sobre el patín del carril y presionarlo. Para que la traviesa no se agriete al introducir el clavo o el tirafondo, se abren orificios de 2mm aproximadamente de diámetro menor que el diámetro del tornillo o que la arista del clavo.

En algunos países como Francia se comenzó a utilizar una planchuela de metal elástica, la que apoya uno de sus extremos en el patín del carril y el otro extremo sobre una almohadilla de goma colocada en un corte hecho en la traviesa, el carril también se colocó sobre una lámina de goma, esto por supuesto dio mayor elasticidad al conjunto carril traviesa lo que trajo beneficio en la circulación de los trenes así como da mayor vida útil a las traviesas.