También para dar mayor área de apoyo al carril sobre las traviesas se colocan planchuelas metálicas preferentemente de acero denominadas sillas Las sillas pueden ser de distintos y variados tipos, pero todas presentan un área mayor que el área aportada por el carril, así como permite que se puedan colocar más elementos de unión. En dependencia de la cantidad de orificios que posea la silla y su posición con respecto al borde del patín del carril, la fijación puede ser del tipo directa, indirecta o mixta. Otro tipo de silla, tiene una construcción en forma de nicho para albergar en su interior la cabeza de un tornillo de cabeza rectangular, mediante un giro del tornillo a 90ª y queda insertado dentro del nicho Este tipo de fijación es muy usado en Europa y se denomina tipo K. Tiene generalmente 2 tornillos de cabeza T en los cuales se colocan planchuelas o presillas que apoyan sobre el patín del carril y 4 tornillos tirafondos que unen a la silla con la traviesa, este tipo de fijación se denomina mixta.
Los clavos utilizados en la mayoría de los ferrocarriles tienen una dimensión de 16 x16x165 mm y un peso aproximado de 378 gr. (3.71N), la resistencia ala extracción en traviesas de madera blanda y semi blanda es de 2.0 KN y aumenta hasta 3.5 KN en traviesas de madera dura. Los tirafondos al tener rosca aumentan su resistencia a la extracción en 1.5 – 2.0 veces más que con los clavos. Los tornillos T tienen su cabeza preparada para que se aprieten o zafen con llaves de torque.
Fijaciones para apoyos de hormigón. En el caso de fijaciones para ser utilizadas para unir al carril con traviesas de hormigón, deben reunir una serie de cualidades que no se tienen en cuenta con las traviesas de madera.
El carril no debe presionar directamente sobre la traviesa de hormigón, pues, el acero es capaz de desgastar al hormigón en su constante desplazamiento elástico en dirección horizontal longitudinal y transversal, por lo que para evitar este fenómeno se introduce la platina de aislante que no es más que una lámina de goma que se inserta entre el carril y la traviesa. Esta platina sirve también como un material aislante, ya que la traviesa de hormigón es altamente conductora de la electricidad.
Las traviesas de hormigón tienen una alta rigidez por lo que las fijaciones deben ser lo suficientemente elásticas como para suplir lo que las traviesas no pueden asumir.
El elemento que presiona sobre el patín del carril en este tipo de fijación puede ser una planchuela (presilla) o una grapa. En el caso de presillas o planchuelas, la elasticidad la asume este elemento y en el caso de las grapas las asumen las arandelas de presión.
El tipo de elemento de unión depende de la fabricación de la traviesa, estas pueden ser construidas dejando dentro de ellas un elemento que puede ser de plástico o de madera conformado con rosca en su interior y que sirve para utilizar tornillos tirafondo, otro tipo de traviesa presenta un espacio vaciado en cuyo interior se le inserta una arandela con un orificio en forma rectangular y configuración semejante a la cabeza del tornillo T y que permite que este tornillo de cabeza T se introduzca por su orificio y al girarlo 90º quede atrapado de forma que no pueda ser extraído.
Los elementos de goma o plástico con consistencia elástica sirven no sólo para proteger a la traviesa de hormigón de ser triturada por el roce del patín del carril, sino que sirve para aislar eléctricamente en las vías señalizadas o electrificadas.
Las platinas de goma que se utilizan tienen un espesor entre 5 y 7 mm.
Para aislar eléctricamente y evitar la deformación por abrasión del la traviesa bajo la zona redondeada de la presilla se colocan almohadillas del mismo material que las platinas. Entre el perno y la tuerca además de las arandelas planas, se colocan bujes plásticos aislantes, introducidas en el orificio de las presillas. El buje se elabora de un material aislante preferentemente textolita u otro elemento dieléctrico, lo que además de ser aislantes deberán ser resistentes a la humedad, al calor y tener altas capacidades mecánicas.
Las fijaciones del tipo RN (ZHB) tienen pocas piezas, consumen poca cantidad de metal (pero requieren de alta calidad de los materiales del que son construidas las presillas). Poseen elasticidad en el plano vertical y en cierto grado en el plano horizontal (debido a la deformación de la parte redondeada de la presilla al trasmitírsele las fuerzas laterales del patín del carril). Esta presilla no permite regular la posición de los carriles en planta, lo que hace que se limite el radio de curvas en 350.0 m. Con el debilitamiento de las presillas por pérdida de su elasticidad o por deterioro mecánico, se pierde el apriete y con ello se aumenta el grado de libertad horizontal transversal que permite que con la aplicación de cargas laterales la trocha (espacio entre los bordes de trabajo de los carriles, en Cuba 1435mm) de la vía aumente en dimensiones no permisibles, especialmente en curvas de pequeño radio. También este debilitamiento trae consigo que las almohadillas bajo la zona convexa de la presilla, se partan o salgan de su posición, lo mismo ocurre con las platinas de goma, que al no tener la suficiente sujeción se salen fuera de su lugar debido además porque al carril no estar presionado éste se corre longitudinalmente provocando el corrimiento de la platina y arrastrar además a las traviesas y al balasto.
La elasticidad tanto vertical como horizontal es insuficiente para vías de alta densidad de tráfico y velocidades superiores a los 140 KPH. Se lleva acabo una investigación para la utilización de platinas de goma acanaladas de gran espesor (13mm). Estas fijaciones se recomiendan utilizarse sólo en radios mayores de 350m de radio con volúmenes de carga bajos.
En USA se utiliza una fijación consistente en dos grapas elásticas La grapa inferior se apoya en un extremo en el borde lateral del patín del carril y en el otro en el doblez de la presilla superior. La presilla superior se apoya con un extremo sobre el patín del carril y con el otro extremo se apoya contra el borde de la parte deprimida de la traviesa de hormigón, dentro de la traviesa de hormigón se deja embebida una arandela de sujeción que tiene un orificio de forma rectangular que al introducirse un tornillo de cabeza T y girar a 90 º, este queda fijado y no puede ser extraído.
En Inglaterra se usan varios de fijaciones, la SMC que posee una presilla elástica y una grapa embebida en el hormigón Los carriles descansan sobre una platina de goma, que tiene dos superficies corrugadas, en la parte donde apoya el carril, sobre las corrugas hay unos salientes adicionales (especie de botones para darle al carril mayor agarre. Sobre la superficie del patín se colocan unas platinas aislantes sobre la cual se apoya la presilla. Esta última platina tiene una pestaña que cierra el borde lateral del patín no permitiendo el corrimiento lateral del mismo, así como tiene en su extremo exterior dos semicírculos que se introducen en las barras verticales de las grapas embebidas en el hormigón, lo que también ayuda a la resistencia al corrimiento. Entre el espacio de la barra horizontal de la grapa y el hormigón, se coloca la presilla elástica y se introduce (con golpes de martillo) hasta que uno de sus bordes oprima al patín del carril y el otro extremo quede sobre una de las barras de la grapa. La presilla tiene doble contacto de apriete al carril como la RN o ZHB.
Otras de las fijaciones utilizadas en Inglaterra y ya extendida a muchos ferrocarriles es la Pandroll, la cual tiene un elemento fijador de hierro fundido o de acero laminado, embebido en el hormigón que sobresale de la superficie de la traviesa, una presilla elástica en forma de barra redonda doblada en forma semejante a un número 8 que se inserta en los orificios que presenta el fijador mediante dos golpes uno en sentido vertical y otro en el sentido longitudinal. Estas fijaciones se utilizan también en traviesas de madera y de acero. Para este fin a manera de dispositivo fijador sirve una silla con los elementos necesarios para la colocación de las presillas
Existen otras fijaciones como son: KOWA- KASEL de Japón, Springlock CS, Sujeción K y KB utilizadas en la Europa Oriental, Heyback británica, Delta, muy similar a la PANDROL, McKay estadounidense, y otras.
La mayoría de estas fijaciones no permiten el sobreancho en curvas de pequeño radio, por lo que se utilizan en vías con curvas con radios mayores de 350.m.
Anclas o antideslizantes. Como vimos anteriormente, las presillas elásticas no solamente resisten las cargas verticales, además son capaces de soportar los empujes provocados por las cargas horizontales longitudinales producidas por los equipos ferroviarios al frenar o acelerar, pero las fijaciones compuestas por clavos o por tirafondo que unen directamente al carril con la traviesa, no tienen suficiente resistencia para soportar este empuje y se produce un corrimiento longitudinal en la vía que saca de lugar las traviesas y hace que los carriles se topen provocando pandeos en unos casos y cizallamiento de los pernos en otro, de no resistir el empuje la capa de balasto o la vía carezca de este elemento, se produciría un corrimiento del conjunto carril- traviesa- balasto.
En el caso de traviesas de madera se utilizan unos elementos elásticos denominados anclas, que se colocan en la base del patín del carril y se apoyan contra las sillas o las traviesas. En el primer caso, la presión ejercida contra la silla puede provocar o el doblez y posteriormente la extracción del clavo, o la deformación de los orificios que tienen las sillas. En el segundo caso el ancla puede penetrar en la traviesa y las deterioran por las vibraciones verticales del carril. En la actualidad se usan anclas que se apoyan contra la traviesa que son anclas elásticas que bien colocadas son capaces de soportar 5.0 KN. cada una. También se utilizan las anclas de cuña, compuestas por una grapa antideslizante y una cuña que termina en una pala que se apoya en la traviesa y una uña en forma de cuña que se introduce entre el patín del carril y el ancla. En la actualidad se utilizan pegamentos especiales para pegar las anclas al carril y es por ello que estos elementos pueden ser construidos con cualquier tipo de elementos de acero, angulares, láminas, etc. que se peguen al carril verticalmente y se apoyen contra la traviesa en el borde contrario a la dirección del corrimiento de la vía. Para que las traviesas no se atraviesen, las anclas se colocan una frente a la otra en la misma traviesa.
Fijaciones de juntas. Se llama junta al lugar donde se unen los dos extremos del carril para darle continuidad a la vía. Estas juntas pueden ser: mecánicas, soldadas, encoladas o pegadas y encoladas con pernos.
En las juntas mecánicas entre los dos extremos de carriles se coloca una barra de acero denominada mordaza dejándose un pequeño espacio denominado cala que sirve para la dilatación y contracción del metal bajo la acción de la variación de temperatura.
En las juntas encoladas las mordazas se pegan a los dos extremos de los carriles y en las encoladas con pernos además de pegarse las mordazas se unen entre si con los pernos de fijación.
En las juntas soldadas, los extremos de los carriles se sueldan en talleres especializados y con ello se garantiza la continuidad de la vía sin dejar calas ni uniones, es por ello que a este tipo de carril se le denomina también carril sin juntas.
Con este último tipo de carril la interacción dinámica entre el carril y la rueda es uniforme en la totalidad del carril, ya que no existen cambios de rigideces provocadas por las calas. Estas juntas desde el punto de vista económico producen un ahorro sustancial debido a que el mantenimiento a las juntas disminuye considerablemente, en carriles de 12.50m de largo, se ahorra cerca del 33% de los gastos totales de mantenimiento.
Juntas mecánicas. Las juntas mecánicas pueden ser de tres tipos
a. Según la forma de topar
En ángulo, los carriles se cortan en ángulo.
De martillo.
De martillo biselado.
Diagonal de martillo
De tres piezas
Unión en ángulo
Los carriles se unen entre sí semejante a como se une dos agujas de las conexiones
De martillo y martillo biselado, los carriles se solapan en forma de martillo
Estos tipos de juntas se utilizan frecuentemente en las uniones de carriles largos soldados, ya que permiten la contracción y dilatación de los carriles y mantienen una continuidad en la vía. no obstante los resultados obtenidos con ellos no fueron satisfactorios ya que se debilita el metal en la corona lo que trae como consecuencia partiduras, fisuras de distintos tipos, etc. otro de los problemas que presentan es que se pandea la corona hacia la garganta. Es por ello que la forma aceptada por todos los ferrocarriles es la junta con el corte perpendicular de los carriles que todos conocemos.
b. Según su colocación en planta:
Juntas alternas, junta frontales o a escuadra. sin orden.
Las juntas frontales están colocadas una frente a la otra, de ahí su nombre; las juntas alternas se colocan una frente al centro del carril que se encuentra frente a ella, las juntas sin orden; como su nombre lo indica se encuentran desordenadas. Las primeras tienen la ventaja sobre las juntas otras en que puede mecanizarse la colocación de las vías, lo que permite un ahorro sustancial en la construcción de la superestructura.
Otra ventaja que posee es que el impacto de las ruedas se produce al mismo tiempo en ambos carriles, evitando la posibilidad de baches encontrados o desniveles relativos, así como el impacto se reduce en dos veces que en el caso de las juntas alternas.
Posibilidad de reforzar las juntas por el acercamiento de las traviesas, ya que en las juntas alternas la posición de las traviesas de las juntas no siempre coincide en su ubicación respecto a la cala.
Según la colocación de sus traviesas.
Suspendidas, cuando las traviesas están colocadas de tal forma que las mordazas quedan en el aire. Apoyadas, cuando sus traviesas están unidas debajo de la cala
Yuxtapuesta o semi suspendida las mordazas apoyan sobre las traviesas
Como se ha demostrado por experiencias realizadas, las juntas más favorables son las suspendidas e incluso son las más extendidas. En este tipo de juntas los extremos de los carriles se flexan hasta que no se equilibren las fuerzas externas producidas por las ruedas y la fuerza elástica que flexa al carril. En el caso de junta apoyada, al pisar la rueda un extremo del carril, se produce un impacto sobre la traviesa debido a que al bajar el carril se crea un espaciamiento entre la traviesa y el carril, este impacto provoca un efecto de aplastamiento en la corona de los carriles, así como en los puntos de contacto de las mordazas con el carril en la cala y en la traviesa en la zona bajo el carril, además de provocar sacudidas en el balasto. Otro fenómeno que se produce es que debido al impacto la traviesa trata de girar con relación a su eje longitudinal, lo que ocurre en la junta suspendida pero en mucha menor escala. No obstante el desgaste de los carriles en las juntas suspendidas se produce mucho antes que el desgaste en la zona central.
Otro de los factores que hace que las juntas suspendidas sean consideradas mejores que las apoyadas es que en el momento de mecanizar los mantenimientos y reparaciones se dificulta el calzado y los trabajos de nivelación en el caso de las apoyadas, lo que no ocurre con las suspendidas.
Es obvio que las flexiones en las juntas suspendidas son mayores que en las apoyadas, es por ello que para disminuir este efecto se hace menor el espaciamiento en las juntas que entre las traviesas colocadas en el centro del carril.
Además de estas clasificaciones que pudimos observar, en las líneas con sistema de bloqueo se utilizan juntas conductoras y juntas aislantes.
Las juntas conductoras permiten la transmisión de corrientes de distintos tipos sin el aumento considerable de la resistencia ómhica en el carril. Los carriles en vías electrificadas sirven de conductores de corriente de retorno, también son utilizados para los sistemas de frenado automático, etc.
Las juntas aislantes sirven para delimitar circuitos de carrileras y de tramos o trechos, no permiten el paso de corriente eléctrica de un carril a otro.
Existe además otro tipo de junta denominada de compromiso, estas juntas se utilizan cuando es necesario colocar carriles de distintos calibres uno con otros, las mordazas se construyen de tal forma que una mitad toma la configuración de un tipo de carril y la otra la del otro carril. Las mordazas de este tipo tienen poca vida útil, debido a la concentración de tensiones que se crea en el punto de transición de una sección a otra, por lo que su utilización debe ser temporal para dar paso momentáneamente o por un corto periodo de tiempo. Es más racional construir carriles de compromiso si el periodo de utilización es largo, ya que éstos se construyen en plantas especializadas.
Los elementos fundamentales de las juntas mecánicas son las mordazas que se construyen en forma de barra con orificios compatibilizados con el carril de su calibre y se ubican entre la corona y el patín y tocan las paredes de la garganta, excepto en las zonas de enlace de la garganta con la corona y el patín.
Dimensiones de las mordazas según el tipo de carril.
Las mordazas se unen al carril directamente con los pernos. El diámetro del perno en su barra es menor en 2 mm que el diámetro por la rosca.
Los pernos se construyen de alta resistencia y normales (con resistencia correspondiente a 0.74 KN/mm2 y 0.84 KN/mm2) con roscas hechas por medio de laminación. Los pernos de alta resistencia son racionales incluso para aumentar las resistencias de las junta, disminuyendo la longitud de las zonas móviles de las bandas de carriles soldados y la cala necesaria en las juntas. Los pernos de resistencia normal se construyen con acero marca 35, y los de alta resistencia, con acero aleado marca 40X. Los pernos pasan por un tratamiento térmico. Las tuercas se producen con acero fosfórico.
Para disminuir el debilitamiento en el apriete de los tornillos, se utilizan arandelas de presión de sección cuadrada, con lados entre 9 y 12 mm.
Las juntas pegadas garantizan la continuidad de las bandas de carriles (por eso el concepto de junta se presenta algo compleja).
La soldadura puede realizarse de varias tipos, térmica; que no es más que una mezcla mecánica de batidura de hierro (Fe3O4) y aluminio puro, que al fundirse desarrolla una temperatura de 3000 ºC y más (de este modo el aluminio sustituye al hierro y como resultado se obtiene escoria de alúmina Al2O3 y se libera el hierro). La soldadura puede ser además por gases y eléctrica.
Por el método gaseoso, los extremos de los carriles se calientan hasta un estado plástico utilizando para ello; acetileno, gas natural, propano- butano, mezclado con oxígeno. El proceso de calentamiento los dos extremos fuertemente se comprimen uno con otro hasta que la temperatura no se halle cerca de la temperatura de fusión del metal, ocurre la soldadura, la cual se considera terminada sólo cuando los extremos de los carriles no se hayan acortados en una longitud determinada debido a la presión ejercida sobre ellos. Esta soldadura se denomina gaso- presionada en estado plástico del metal. La soldadura con derretimiento del metal para carriles no se utiliza., ya que da malos resultados. En la soldadura eléctrica se utilizan varios métodos; por arco eléctrico, con el cual el metal fundido con arco eléctrico ocupa el espacio entre las soldaduras por piezas (método de baños) y el contacto. Por contacto, los extremos de los carriles se calientan por corriente eléctrica hasta la temperatura de soldadura y después en carril se comprime uno con otro con una fuerza de gran dimensión. Después de la soldadura se procede a un tratamiento térmico.
Las juntas mecánicas tienen menos resistencia que las soldadas En calidad de pegamento se utilizan resinas epóxides.
El tiempo de vida de la junta aislante o conductora, depende de la carga por eje, a la velocidad de circulación e incluso a la tensión de carga de la línea, también al clima imperante en la zona. También influye la calidad de los mantenimientos de las vías y de los equipos rodantes. Para aumentar la vida útil de estas juntas las fijaciones deben ser construidas con un material de buena calidad, en relación con las partes metálicas es conveniente tomar medida contra la corrosión.
(ver figuras en anexo).
2.3 Sustentaciones del carril.
Generalidades Las sustentaciones pueden hacerse en forma de apoyos en bloques separados, distribuidos en cada banda de carril de forma perpendicular, traviesa; longitudinalmente al carril, marco o losa. Su función fundamental:
a) recibir las cargas y presiones del carril y distribuirlas al balasto;
b) mantener de forma invariable el ancho de cartabón y junto con el balasto mantener la alineación de la vía de forma correcta e invariable. En mayoría de los casos se utilizan traviesas.
c) mantener el aislamiento eléctrico entre los dos carriles.
d) Si las corrientes parásitas provenientes de la electrificación pueden perjudicar a las instalaciones enmarcadas en el entorno de la línea, la traviesa debe ofrecer características aislantes con el objeto de evitar los daños.
Para dar cumplimiento a las funciones antes mencionadas, las traviesas deben cumplir con los siguientes factores:
El largo y su ancho influyen sobre la estabilidad de la vía en el plano vertical.
El ancho y el peralto influyen en la estabilidad de la vía en el plano horizontal de forma transversal, en esto también influye el peso de la traviesa.
Del peso y de sus dimensiones, también depende la estabilidad longitudinal de la vía.
La traviesa deberá darle a la vía una capacidad elástica para absorber las cargas dinámicas, disminuyendo así, los gastos de mantenimiento y reparación de las vías.
Las traviesas se clasifican según su material y según su forma.
Material para la confección de las traviesas. El material para la confección de las traviesas puede servir: metales, madera y hormigón y materiales sintéticos. Las más utilizadas en el mundo son las traviesas de madera. También son utilizadas en muchos lugares las traviesas metálicas.
2.3.2.1. Traviesas de madera: Las traviesas de madera tienen un sinnúmero de condiciones ventajosas. Ellas son elásticas, se distribuyen por el balasto con más facilidad y son manuables. Tienen formas simples que garantizan un calzado fácil y la posibilidad de meterlo bajo la traviesa.
Las especies de madera más utilizadas para la confección de traviesas son: abeto, pino, alerce, roble, quiebra hacha, caoba, haya, etc.
El roble, la haya, la caoba y el quiebra hacha pertenecen a especies maderables dura, el pino y el abeto son blandas y el alerce pertenece al grupo de las semi duras.
Además de estas especies algunos países utilizan también álamo, castaño, ciprés, abedul, etc.
En la tabla II.5 se muestran las propiedades mecánicas de algunas de estas especies en por ciento con relación al abeto.
La madera utilizada como traviesa debe ser resistente y fuerte, no tener defectos, que traigan consigo su deterioro, con un peso específico superior a 750 Kg/cm3, una buena capacidad de anclaje, para los tirafondos no menos de 4000 kg a la extracción, un pequeño coeficiente de contracción volumétrica, una adecuada elasticidad y la propiedad de absorber hasta su profundidad sustancias antisépticas, no deberán tener jorobas ni nudos. (ver anexos)
Forma y dimensiones. La forma de la traviesa es un paralelepípedo.
La sección transversal de la traviesa de madera se establece partiendo de los siguientes criterios
Ver Anexos
El apoyo superior debe ser suficiente como para poder colocar sobre ella las sillas, aunque esta
última debe ser más estrecha que el ancho de la traviesa.
La parte inferior debe ser lo suficiente ancha como para que la presión sobre el balasto vaya disminuyendo y no ser extraordinario, para poder compactar y calzar debajo de la traviesa.
El espesor de la traviesa debe garantizar un momento de inercia y un módulo de sección necesarios teniendo en cuenta su desgaste y su pudrición, las reparaciones que sean necesarias en el periodo de explotación.
La forma de la traviesa debe ser tal que en el proceso de corte no se desperdicie madera.
La longitud de la traviesa depende más del aspecto técnico que del económico, no obstante debe ser racional. La longitud oscila entre 2400 y 2800 mm.
Tabla 2. 5 Características de algunas especies maderables para traviesas.
Las traviesas por la forma de elaborarla pueden ser: elaboradas a cuatro o a dos caras.
Antisépticos utilizados. Para la protección de las traviesas de madera contra la pudrición, se utilizan varios antisépticos, como son:
Cloruro de zinc. (Zn Cl2)
Fluorato de sodio (NaF). Las traviesas tratadas con este tipo de antiséptico toman una coloración negruzca.
La impregnación de las traviesas se realiza a presión requiriéndose que la traviesa este al 85 % como mínimo de saturación existen dos métodos de impregnación, a célula llena y a célula vacía.
Tiempo útil de la traviesa de madera. El tiempo útil de una traviesa de madera depende de la densidad de tráfico, de la carga por eje de los equipos que circulen y de las condiciones climáticas. Una gran influencia en este tema lo ejerce el mantenimiento que se le haga a las mismas. La madera dura tiene una duración como promedio entre 30 – 40 años, aunque existen excepciones, pues las hay con mayor duración. Para madera blanda y semi blanda, con un estricto mantenimiento sobre las vías y las traviesas el máximo de vida útil es de 15 años.
Traviesas de hormigón. Las traviesas de hormigón pueden ser armadas, pre tensadas y pos tensadas. Su desarrollo en el mundo ferroviario se debe fundamentalmente a la escasez de bosques y también por factores económicos, ya que son más duraderas y requieren de un menor gasto de mantenimiento.
En las traviesas de hormigón pre y pos tensado, pueden usarse alambres o cables. Pueden ser mono bloques o bi – bloques .
Las traviesas de hormigón no pretensadas son sensibles a la formación de fisuras. Por eso no se les debe transmitir grandes momentos flectores. En relación con esto, este tipo de traviesa en forma mono bloque, no se utiliza en la generalidad. Es más racional en este tipo de traviesa utilizarla en forma de bi – bloque con una barra, generalmente un angular entre los dos bloques, e incluso su uso se limita a líneas de bajo peso por eje y de poca densidad de tráfico.
La desventaja general de esta traviesa es la poca área de transmisión de presiones al balasto, lo que crea un aumento de presión sobre este último y la corona de la explanada. Además la poca rigidez entre la unión de los bloques da la posibilidad del desplazamiento y su giro en relación de un bloque con otro y con ello la variación de dimensión de la trocha o ancho de la vía.
La traviesa que se considera más racional es la traviesa mono bloque pretensada. Estas traviesas son más fáciles de construir.
En Cuba utilizamos la traviesa mono bloque Cuba 73 producida en la Planta de Traviesas de hormigón de Santa Clara a partir de una tecnología Soviética del modelo C-56-3, que utiliza 44 hilos de alambre de alto límite elástico tensado en frío de resistencia nominal de 190 Kg./mm2, de 3 mm de diámetro de perfil periódico, con un hormigón de marca 500. Para el uso de tornillos de cabeza T se deja dentro del hormigón una arandela de sujeción de acero inoxidable y se construye un espacio vacío para que pueda insertarse el tornillo. Para el uso de tornillos tirafondos se deja un taco plástico o de madera embebida en el hormigón, para mayor adherencia se enrolla un alambre alrededor del taco en el momento de fundir el hormigón.
Para disminuir la presión sobre el balasto los extremos de las traviesas se construyen más anchos que su centro, donde el ancho de la traviesa es de 245 mm mientras que en los extremos es de 300 mm. Para aumentar la resistencia al desplazamiento sobre el balasto, a la base de la traviesa en los límites del centro se eleva en 10 mm y se le construyen depresiones en forma cuadriculadas. El peso de la traviesa es de 250 Kg y del acero 6.9 Kg.
Las traviesas se calculan para cargas por rueda simétricas de 147 KN a estabilidad y 117 KN a la fisura.
(Ver figuras en el anexo).
Traviesas metálicas. Las traviesas metálicas se construyen de acero, de hierro fundido y a partir de carriles que no pueden ser utilizados en las vías.
Las características de los aceros utilizados para carriles se pueden ver en la tabla II. 6, y están regidas por el proceso de fabricación que puede ser Thomas, Bessemer ácido, Siemens- Martin básico, Siemens- Martin básico, Eléctrico o Linz- Domwitz, etc.
Formas y dimensiones de las traviesas de acero laminado. Las traviesas metálicas pueden ser mono bloques y b bloques. Las traviesas bi bloques con un elemento de arriostre entre bloques son en general de fundición y las riostras de perfil laminado.
Las mono bloques de acero laminado tienen una sección transversal semejante a una viga U.
(ver figura en el anexo)
Tabla 2.6 – Composición de química de los aceros para traviesas
Tabla 2.7. Dimensiones de las traviesas metálicas laminadas.
Defectos de las traviesas y largueros.
Defectos de las traviesas y largueros de madera. Los defectos que se producen en estos elementos son originados fundamentalmente por agentes biológicos, ocurren con mayor frecuencia en el área bajo los carriles y se desarrollan debido al esfuerzo cíclico a que se ven sometidos. Otros defectos son producidos por la acción mecánica del carril al paso del tren, que provoca aplastamiento en la superficie bajo el carril o la silla, que produce fisuras y roturas de esa capa. 2.3.3.2. – Defecto de las traviesas de hormigón. Los tipos de defectos que podemos encontrar en las traviesas de hormigón se clasifican en 6 grupos:
En el grupo 1 se presentan las fisuras, excepto con descubrimiento del acero, así como fisuras horizontales longitudinales en la parte media y en el área bajo el carril.
En el grupo 2 se encuentran los desconchados.
En el grupo 3, el deterioro de la traviesa con descubrimiento del acero, así como también fisuras horizontales longitudinales en la parte media y bajo el carril.
En el grupo 4, se hallan las partiduras o flojedad en el acero.
En el grupo 5 defectos en los orificios o en los tacos.
En el grupo 6 Otros defectos.
2.4.- La capa de balasto. Funciones del balasto. La superestructura en su conjunto.
La capa de balasto es la masa pétrea granular colocada sobre la explanada y debajo de los campos.
Funciones del balasto
La función fundamental del balasto es:
Garantizar la estabilidad de la vía en su conjunto tanto vertical como horizontal, asumiendo las cargas horizontales transversales y longitudinales y las verticales, sin que con ello se acumulen deformaciones residuales.
Transmitir las presiones asimiladas a través de las traviesas, a un área más amplia posible de la corona de la explanada.
Participar en el aseguramiento de la elasticidad necesaria a la base del carril.
La capa de balasto no debe contener agua en su superficie que propicie la dilución y el derrame de la explanada, así como su humedecimiento. El material para el balasto debe ser resistente y estable bajo la acción de la carga, ser resistente a la abrasión (no triturarse y no pulverizarse) al compactarse, ser resistente a las variaciones climáticas, no permitir el crecimiento de vegetación, poseer propiedades dieléctricas, ser duradero y económico.
Materiales utilizados como balasto.
Los materiales más utilizados como balasto son: piedra picada (graníticas, ofíticas, calizas, basálticas, etc). Gravas, arenas, escorias, asbesto y rocas metamórficas.
El mejor material para balasto es la piedra picada de roca ígnea, aunque la caliza es bastante utilizada. La roca debe ser resistente al impacto.
La resistibilidad se mide en distintas unidades de medida según los estudios realizados por cada uno de los que han experimentado con estos materiales.
Según Deere y Miller, el balasto de piedra se clasifica en:
Tabla 2.8 Resistencias exigidas para el balasto
La grava utilizada como balasto puede ser de dos tipos, la grava de cantera (natural) y la grava bien graduada.
La grava de cantera de cantera
Debe tener partículas entre 3 y 60 mm, en no menos de la mitad de su peso total, deberá tener no menos del 20% y no más del 50% de partículas de arena, no menos del 50% de granos de cuarzo, las partículas menores de 0.1 mm que estén en su composición no deben exceder el 6%, incluyendo en este volumen las arcillosas (dimensión menor de 0.005 mm) en no menos del 1% del peso. Las partículas entre 60 y 100 mm, se permiten sólo en un 5% del volumen total.
Se recomienda la utilización de gravas bien graduadas, las cuales se componen de partículas entre 5 y 40 mm y se obtiene por la vía del tamizado de las partículas indeseables y menores o mayores que la granulometría antes mencionada.
Tabla 2.9 Composición granulométrica de las gravas bien graduadas.
La grava bien graduada en, menor escala tiene menos calidad que la piedra picada
En calidad de balasto se utiliza también la arena de grano grueso que contiene partículas entre 1 y 3 mm, en no menos del 50% del peso total y arena de grano mediano, cuyas partículas menores de 0.5 mm deben estar en no menos del 50% del peso total no se permite en el contenido de la arena para balasto la arena de grano fino.
El balasto compuesto por arenas es menos resistente que el balasto de grava. Es más movible y por eso se requiere de más gasto de fuerza de trabajo en el mantenimiento de la vía.
Donde ( es el ángulo formado por el talud y la altura del prisma de balasto y su valor se encuentra entre 30 – 40º en Cuba se utiliza 36º.
Capa de sub balasto. En algunos ferrocarriles se coloca debajo de la sub rasante (nivel de la explanada), una capa de 30 cm denominada sub balasto. Esta capa se construye con arena con el fin de economizar piedra y para la prevención de la penetración de la piedra en la explanada y la elevación por sifonamiento de las capas superiores de la explanada debido a la penetración de la piedra y la unión de ésta con el aguas formando los llamados baches zapateados.
2.5 – La superestructura en su conjunto
Gálibos. El gálibo es la configuración de la sección transversal de la vía férrea conformada por dos líneas paralelas a su eje vertical y dos líneas paralelas a la línea que forma la superficie de los carriles.
Los gálibos son de tres tipos: de equipos, de carga y de construcción.
Los dos primeros delimitan hasta que punto tanto en el plano vertical como en el horizontal, las cargas y los equipos no pueden sobre salir de su silueta.
El tercero determina hasta que punto se pueden construir instalaciones que no penetren dentro de su silueta.
En Cuba se estableció la norma NC 1840 sobre los gálibos, para vías con trocha de 1435 mm.
Se utilizan los siguientes gálibos:
GE – I Gálibo de equipo, se establece para vías en recta y en rasante, no electrificadas.
GE – II. Gálibo de equipos para vías en recta y rasante, electrificadas.
GC. Gálibo de carga. Para las cargas existen tres niveles.
a. – Carga normal, las cuales ocupan el espacio limitado por el equipo.
b. – Carga extraordinaria de primer nivel, que sobre sale del equipo pero con dimensiones permisibles y que su circulación por las vías están limitadas a determinada velocidad y por determinadas vías.
c. – Cargas extraordinarias de segundo nivel, que sólo pueden circular por determinados lugares, acompañadas por personal experimentado
GCN. – Gálibo de construcción para vías principales y patios del ferrocarril público.
GCN – 1 Gálibo de construcción para vías interiores de industrias.
Como ya se expresó anteriormente, todas las medidas del gálibo se refieren en el plano vertical desde el eje de la vía hacia los laterales y en el horizontal desde el nivel del carril. (ver anexos)
También en esta norma se establecen las distancias entre vías para las distintas líneas y ramales.
Tabla 2.10. Norma de construcción de entrevías.
Cálculo de los desplazamientos de los equipos al circular por una curva.
Desplazamiento de los extremos.
a. – Distancia entre centros de bogies en mm
ne. – Distancia desde la sección considerada en mm
d. – Distancia entre las pestañas de las ruedas de un mismo eje con máximo desgaste 1410 mm
R. – radio de la curva en mm
q. – Máximo desplazamiento transversal del pedestal en mm
w. – Máximo desplazamiento de la viga central. Se asume 80 mm.
p. – distancia entre ejes extremos de un bogie.
Desplazamiento del centro del equipo.
nc. – distancia de la sección considerada (centro del equipo) al centro del bogie más cercano, en mm.
Desplazamiento de los equipos debido a la superelevación de las curvas.
H. – altura sobre la corona del carril interior de la curva en la zona donde se interesa conocer el gálibo en mm.
h. – Superelevación o peralto en mm
S1. – Distancia entre ejes de carriles (para vías de trocha 1435 mm, S1 = 1500 mm)
Categoría de las vías. Cada ferrocarril clasifica sus vías teniendo siempre como patrón los parámetros determinantes, que son aquellos que permiten por si solos, según los valores que alcancen clasificar las superestructuras de la vía férrea, estos parámetros son: velocidad, carga por eje y densidad de tráfico bruto anual.
Existen los parámetros derivados, los que una vez clasificadas las vías permiten tipificar las superestructuras de las vías, ellos son: peso del carril por unidad de longitud; tipo de balasto y su espesor y tipo de traviesas y su cantidad por km.
En Cuba se clasifican las vías en:
Tabla 2. 11. Clasificación de las vías férreas en Cuba.
CAPITULO III. –
Diseño geométrico de vías férreas
3.1. – Significado y características del trazado del ferrocarril. Se denomina trazado de la vía férrea al eje longitudinal de la explanada. El trazado de la vía comprende la planta y el perfil longitudinal. El trazado está compuesto, tanto en planta como en perfil; por tramos rectos unidos entre sí por tramos curvos. Lo idea sería poder realizar un trazado recto entre dos puntos, pero eso no es totalmente posible debido a dos factores, uno que en los trazados se encuentran obstáculos que a veces son insalvables que hay que evadir y otro que las locaciones que se unen no siempre se encuentran en línea recta uno del otro.
La explanada del ferrocarril de la que ya hablamos en el capítulo I, se diferencia de las de carretera porque su configuración es plana en su superficie y mantiene esa forma tanto en rectas como en curvas dado que el peralto se construye con el balasto y no con la propia explanada como ocurre en la carretera.
Las alineaciones curvas se caracterizan por su radio, su longitud y su ángulo de inflexión.
Los radios de las curvas de la vía férrea se caracterizan por ser de gran dimensión. Esto se fundamenta por varias razones.
a. – Las curvas de pequeño radio hacen que los trenes disminuyan su velocidad.
Esto se debe a que la velocidad de circulación de los trenes depende del radio de curva, como veremos en el siguiente ejemplo:
Para el caso de que la superelevación máxima sea de 150 mm. K = 4.6
b. – Aumento de los desgastes y deterioro del carril y las ruedas del material rodante.
El aumento del desgaste tanto en las ruedas como en el carril, se debe al rozamiento que se produce al resbalar e impactar las ruedas contra el carril exterior al entrar en las curvas.
c – Disminución del coeficiente de adherencia entre rueda y carril en radios menores o igual a 400 m que provoca una disminución de las fuerzas tractivas. Esto trae como consecuencia que se tenga que disminuir el peso del tren o la utilización de varias locomotoras para transportar las cargas.
d. – Alargamiento de las vías. La longitud de la vía aumenta con la disminución del radio o el aumento del ángulo de inflexión. Así para un ángulo de inflexión ( = 60º, la disminución del radio de: R1 = 1000 m a R2 = 600 m, la longitud del tramo aumenta en más de 40 m y al disminuir el radio a R3 = 400 m, aumenta adicionalmente en 20 m y con el aumento del ángulo de inflexión a 90º, los correspondientes alargamientos son en el orden de los 85 y 170 m respectivamente.
e. – Aumento de los gastos de explotación. A menor radio y provocarse mayor desgaste los gastos de explotación aumentan.
3.2. – Elementos de la planta. Curvas circulares simples. Para diseñarla planta de una vía férrea se hace necesario conocer los requisitos que exigen las normas de diseño para cada uno de los elementos de la curva.
Tabla 3.1. Radios mínimos de curvas horizontales
En vías con traviesas de hormigón no se admiten curvas con radios menores de 350 m, si las fijaciones que se utilizan no permiten dar sobre ancho.
Las curvas pueden ser circulares simples y circulares con transición y éstas pueden ser sencillas cuando están compuestas por un solo radio y un solo ángulo de inflexión y compuestas o adyacentes cuando tienen más de un radio y un ángulo de inflexión. Las compuestas o adyacentes a su vez pueden ser en una dirección o en dos, a esta última se le denomina reversa. Curva circular simple
Las funciones y puntos notables de las curvas circulares simples y sencillas son:
R – Radio de la curva circular.
T. – Tangente de la curva. Distancia desde el PC o PT al PI
E. – Externa, distancia desde el arco en el centro del desarrollo de la curva hasta el punto de inflexión PI
M. – Mediana, distancia desde el centro de la cuerda máxima hasta el centro del desarrollo de la curva
CM. – Cuerda máxima, distancia desde el punto de comienzo hasta el punto final por la cuerda.
D. -. Desarrollo, distancia desde el PC al PT por el arco. Longitud de la curva.
PC. – Punto de comienzo de la curva.
PM. – Punto medio, ubicado en el centro del desarrollo.
PT. – Punto de término, final de la curva.
PI. – Punto de inflexión.
(. – Angulo de inflexión.
A las curvas adyacentes en un sentido se le agrega:
PCC. – Punto de unión de las dos ramas curvas
A las curvas adyacentes en dos sentidos se le agrega:
PCR. – Punto de unión de las dos ramas.
El cálculo de las funciones de la curva circular simple se determina por las expresiones:
Curvas con transición: Las curvas de transición sirven para unir los tramos rectos con las curvas circulares, sus objetivos fundamentales son:
Asegurar la variación de la fuerza centrífuga desde la recta hasta un valor igual
en la curva circular.
Permitir el desarrollo de la superelevación y el sobre ancho.
En estas curvas el radio varía de infinito en el punto de tangencia al valor del radio de la curva circular. Se logra con esto que en cada punto de la transición haya un valor de superelevación correspondiente al valor del radio en dicho punto.
La longitud de la curva de transición depende de los siguientes factores:
– Radio de la curva circular (R)
– Categoría de la vía.
– Velocidad de circulación.
Las funciones y puntos notables de las curvas de transición se determina por toda una serie de condiciones relacionadas con:
Intensidad del incremento de la superelevación.
Limitación de las fuerzas surgidas al entrar el vehículo en la curva en la unión de transición.
Práctica del mantenimiento de la curva en explotación.
La longitud de la curva de transición se determina basándose en tres criterios relacionados con la intensidad del incremento de la superelevación.
Evitar el descarrilamiento en las bandas interiores.
Reducir la velocidad con que sube la rueda por la superelevación del carril exterior.
Reducir la intensidad de cambio de la aceleración centrífuga no compensada.
Necesidad que el valor del peralto "h" sea menor que la altura mínima de la pestaña de la rueda.
Donde: k – altura de la pestaña en mm
L – distancia entre ejes extremos de los bogies en mm
Se establece que la intensidad de la superelevación sea igual a 10/oo, valor que en condiciones difíciles se aumenta hasta un 2º/oo y en condiciones sumamente difíciles y previa justificación avalada a un máximo de 30/00
En vías de alta velocidad ( 10/00
En estas condiciones la longitud de transición será:
Donde h – superelevación en mm
i – intensidad de incremento de la superelevación admisible.
Las funciones y puntos notables de las curvas de transición son:
TS – tangente espiral o comienzo de la curva de transición.
SC – espiral – circular, punto donde termina la espiral y comienza la circular.
CS – circular espiral final de la circular – comienzo de la segunda rama de la espiral.
ST – espiral – tangente, final de la segunda espiral, comienzo de la recta.
Para calcular la curva de transición se utilizan varios métodos, veremos sólo el método de los desplazamientos.
Este método consiste en mantener el mismo radio de la curva circular en explotación, desplazando su posición aumentando el radio en una distancia ( (denominada retranqueo o desplazamiento) hacia el interior de la curva. El PC y el PT se colocan en un punto desplazado en igual distancia hacia adentro de la curva.
Al desplazarse el centro de la curva existente a un punto de la curva nueva, la transición tiene por pendiente el ángulo.
Este es valor en el final de la curva de transición.
Se determinará el punto final de la curva de transición SC y CS y a su vez se determinará en el eje de las X un punto T que se encuentra a una distancia del punto de la inflexión de la curva original.
Las curvas circulares con transición también pueden ser compuestas y sus características son iguales que las circulares simples, con la diferencia de que tienen tramos de transición entre las curvas adyacentes.
En la actualidad cuando se construyen curvas adyacentes, entre ellas se coloca un tramo recto, donde se construye la transición; cuya longitud es:
Tabla 3.2. Longitud mínima de tramos rectos en curvas adyacentes
Peralto. En las curvas, el carril exterior se eleva con respecto al interior para que al entrar el equipo en ella no sufra los efectos de la fuerza centrífuga. Esta elevación compensa las cargas verticales y disminuye la presión lateral de la rueda sobre el carril exterior. Al entrar el tren en la curva por la inercia, trata de sacar al vehículo fuera de la vía lo que provoca un impacto en el carril exterior con las pestañas de las ruedas, a esta fuerza se le denomina fuerza centrífuga y su valor es igual a:
Si el carril se colocara en un mismo nivel, la resultante de la fuerza centrífuga y del peso se inclinaría hacia la parte externa de la curva, recargando este carril. (Ver anexo)
Para equilibrar la influencia de la fuerza centrífuga se eleva el carril exterior y de esta forma como se expresó anteriormente también se equilibran las cargas en ambos carriles. Debido a la inclinación del equipo surge una componente del peso dirigida hacia el interior de la vía denominada fuerza centrípeta, que es igual a:
Como todos los trenes no tienen las mismas condiciones ni circulan a igual velocidad, se utiliza una velocidad media.
Distribución del peralto en las curvas.
Distribución del peralto en las curvas circulares simples. Para distribuir el peralto en las curvas circulares simples se utilizan tres métodos:
1. – Todo el peralto se distribuye en la recta.
Con este método el equipo al entrar en el tramo de recta peraltado se recarga sobre el carril que no se encuentra peraltado, provocando desgaste en este carril.
2. – Todo el peralto se distribuye en la curva.
Con este método al llegar el equipo al inicio de la curva su rueda delantera impacta con el carril exterior de la curva, lo que puede provocar desplazamiento del carril o de la vía en su conjunto.
3. – Parte del peralte se distribuye en la recta y parte en la curva.
Con este método, se producen los efectos de los otros dos métodos.
Sobre ancho. El sobre ancho se utiliza para suavizar la inscripción de los equipos por curvas de pequeño radio. Se utilizan en curvas cuyo radio es menor de 350.0 m.
Según las normas, el sobre ancho se realiza en:
La distribución del sobre ancho se realiza de la misma forma que se distribuye el peralte.
3.3. – Elementos del perfil longitudinal.
Definición.
El perfil longitudinal es el corte longitudinal del trazado de una vía. En el se representan las líneas del terreno natural y de la superficie de la corno de la explanada en los nuevos diseños y en los diseños de vías en explotación la línea que representa a la superficie de la corona del carril existente y el del carril proyectado. En las curvas se traza la línea correspondiente al carril interior.
El perfil se compone de planos horizontales o rasantes y planos inclinados, pendientes o rampas, así como la unión entre dos planos que se realiza mediante curvas verticales o con elementos rectilíneos de inclinaciones variables.
La curvatura de los elementos del perfil determina la inclinación "i" que se mide en milésimas (º/oo) y representa la relación entre la diferencia de nivel de dos puntos del trazado en m y la longitud entre ellos en Km. De otro modo podemos decir que la inclinación de un elemento representa la tangente del ángulo que forma el horizonte con el trazado inclinado
Si la tan ( es 0.010, el valor del plano inclinado es de 10 º/oo (10 por mil).es decir que en 1 km. la diferencia de nivel es de 10 m.
La longitud de los elementos del plano inclinado para una pequeña curvatura, utilizados en los ferrocarriles, se identifica como su proyección en el horizonte de la línea. El error que se puede producir es muy insignificante. Incluso con una gran inclinación del 30 º/oo el ángulo es igual a 1º43" y con ello la diferencia entre la longitud del elemento del perfil y su proyección en la horizontal es de 4 cm cada 100 m. (ver anexos)
Longitud y uniones de los elementos del perfil. Para disminuir la ejecución del movimiento de tierra así como de las obras de fábrica, es conveniente diseñar perfiles longitudinales con elementos cortos de distintas curvaturas que se correspondan con la configuración de la superficie del terreno natural. Sin embargo con esto surgen desventajas de explotación sustanciales.
Al circular un tren desde un elemento a otro del perfil con variación de inclinaciones, varía el valor de las fuerzas resultantes aplicadas al tren y a medida que la variación sea mayor, mayor será esta diferencia que influye considerablemente en la marcha del tren.
Longitud mínima de los elementos del perfil. En el ferrocarril se requiere que la longitud de los elementos que componen el perfil tenga una longitud adecuada para evitar que el tren esté al mismo tiempo en varios elementos. Por ello se ha normado lo siguiente:
Valores permisibles de las inclinaciones y los cambios de planos inclinados. Los valores de las inclinaciones y la diferencia de los planos inclinados en el ferrocarril son limitados debido a que los trenes pueden sufrir deformaciones de sus elementos de enganche, así como pueden afectar la capacidad tractiva de sus locomotoras. Tanto la inclinación como sus diferencias dependen de la categoría de la vía por las cuales circulan.
Tabla 3.3. Longitud mínima de los elementos del perfil
Tabla 3.4. Inclinación máxima o pendiente dominante
En condiciones difíciles y de permitirse la tracción múltiple, la inclinación máxima o pendiente dominante del tramo será el resultado de multiplicar el valor de pendientes mostrados en la tabla anterior por un coeficiente que se muestra en la tabla siguiente:
Estos indicadores deben cumplirse con rigor por las consecuencias en la explotación ya indicada.
En la práctica se utilizan dos tipos de diseño del perfil, que garantizan la suavidad necesaria del movimiento del tren.
Cuando la diferencia algebraica es menor de 3 º/oo, no se construyen curvas verticales pero si pasan de este valor se puede diseñar `por dos métodos.
En la práctica se utilizan dos tipos de diseño del perfil, que garantizan la suavidad necesaria del movimiento del tren.
1. – Diseño del perfil por tramos rectilíneos.
2. – Diseño del perfil por tramos curvilíneos.
Diseño del perfil por tramos rectilíneos Con este método se diseñan los cambios de planos inclinados con diferencias algebraicas menores de lo exigido por la norma y lo más largo posibles. En correspondencia con las normas éstos elementos no deben ser menores que la mitad de la longitud de los trenes de cálculo, tomados en la perspectiva de que la diferencia algebraica de los planos inclinados de los elementos adyacentes no debe superar la norma, en dependencia de la categoría de la vía proyectada y la longitud útil de las vías de recepción y expedición o lo que es lo mismo, la longitud de cálculo del tren.
Si los elementos que se van a unir tienen una diferencia mayor que la exigida por las normas se diseña entre ellos un tramo divisorio que haga que la diferencia algebraica sea igual o menor que la norma.
Cuando la diferencia entre dos planos inclinados de diseño rectilíneo es mayor de 3º/oo se construyen curvas verticales con radios cuyos valores dependen de la categoría de la vía.
Tabla 3.7. Radios de curvas verticales permisibles
Diseño del perfil curvilíneo El perfil curvilíneo contempla el diseño de la unión de los elementos adyacentes por la vía con un paso suave de uno a otro plano inclinado, directamente con tramos cortos li que poseen una variación de inclinaciones en un valor no muy grande (i. este perfil representa un polígono de iguales lados inscriptos en una curva de gran radio.
La longitud de los elementos del perfil curvilíneo li, tiene un valor múltiplo de 25 m y la diferencia algebraica (i es en múltiplo de 0.1º/oo. En correspondencia con las normas, la proyección de la longitud de los elementos curvilíneos deben ser en general no menor de 50.0 m y en casos extremos no menor de 25.0 m. la diferencia algebraica (i no debe ser mayor de 1.0 º/oo en líneas de I categoría; 1.5 º/oo, en vías de II y 2.0º/oo en el resto de las vías.
Para los valores de longitud y diferencia algebraica indicados, limitados por las normas; el menor valor de radio de la curva vertical en la que se inscribe el perfil curvilíneo es de 25000 m, En correspondencia con las normas, la longitud total de esta unión no debe ser menor que la longitud obtenida al diseñar el perfil de tramos rectilíneos con curvas circulares verticales. Por consiguiente la longitud mínima de la unión del perfil curvilíneo será:
3.4. – Elementos de planta y perfil en los patios y ubicación de sus carrileras.
Ubicación de las carrileras. Los patios con desarrollo vial, las estaciones, vías de pasos y apartaderos; sirven para el cumplimiento de las operaciones técnicas y de carga, así como para dar pasos y cruces. La planta y el perfil deben satisfacer las condiciones de ejecución de estas operaciones.
La longitud de las áreas de patios se determina esquemáticamente por su desarrollo vial y la longitud útil de las vías de recepción y expedición.
Elementos de la planta de los patios
Las más favorables condiciones para el cumplimiento de las operaciones en los patios se garantizan cuando se ubican sus carrileras en tramos rectos. Sólo en condiciones difíciles, cuando el emplazamiento de los patios en la recta trae consigo un aumento considerable del volumen de movimiento de tierra o un alargamiento de la línea; se permite ubicarlos en curvas con valores de radio mayores de 1200 m y en condiciones topográficas muy difíciles de 600 a 500 m de radio.
En los patios diseñados para la circulación de trenes que circulan a velocidad mayor de 120 a 160 kph, los radios de curva en los límites de la vía principal de los patios deben ser de igual dimensión que en los tramos o trechos, es decir; no menor de 2000 m y en condiciones difíciles 1500 m.
La ubicación de patios trazados en varias curvas puede permitirse cuando las curvas se dirigen en un solo sentido, para ello el tramo recto entre las dos curvas se diseña como en el trecho. El diseño de patios trazados en curvas en dos sentidos sólo se permita si los radios de curva y la longitud de los tramos permiten la visibilidad absoluta de los trabajadores del tren.
Elementos del perfil de los patios. Los patios y apartaderos de cruces y pasos deben diseñarse preferentemente en rasante. Sólo en condiciones difíciles del relieve con el fin de disminuir el volumen de movimiento de tierra se permite ubicar los patios en planos inclinados. Para esto debe garantizarse el arranque de los trenes del lugar, buenas condiciones para la realización de las maniobras, posibilidad de detener la marcha sin inconvenientes en los límites de la longitud útil y la seguridad de la permanencia de los trenes sin que se corran.
En los patios y apartaderos donde se efectúan maniobras no se permiten inclinaciones mayores de 1.5º/oo y en casos de topografías difíciles 2.5 º/oo. En apartaderos donde sólo se realizan pasos y cruces se permiten inclinaciones mayores de 2.5 º/oo, previa justificación
Conjunción de la planta y el perfil. Al diseñar una vía, debe tenerse en cuenta evitar la coincidencia de tener en un mismo lugar curvas verticales y horizontales y de no poder evitarse tratar de que sean lo más suave posibles para disminuir la resistencia al movimiento por estos dos conceptos.
Representación del perfil.
El perfil se representa en un plano a escala. La horizontal se toma en 1:10000 y le vertical en 1:1000. se incluye un perfil ingeniero geológico.
El plano tiene:
Trazado del terreno natural, se traza la representación del terreno natural por el eje de la vía proyectada, indicando las obras de fábrica a diseñar.
Trazado diseñado, se traza el eje de la explanada.
Tipo de suelo, se muestra el tipo de suelo por donde se realiza el trazado…
Situación del trazado, se traza una faja de deseo de aproximadamente 25 m, a escala; a cada lado del eje de la vía donde se indica todo lo que se encuentra dentro de ella
Características ingeniero – geológicas, se hace un esquema de la geología de la zona.
Cotas de nivel de la explanada
Planos inclinados
Cotas de nivel del terreno natural.
Distancia entre cotas de nivel del terreno natural.
Piquetaje, tramos de 100 m de longitud.
Planta.
Puntos kilométricos
3.5. – Tipos de planos inclinados Los planos inclinados se conocen como pendientes y rampas.
Son pendientes cuando los vehículos circulan de un plano alto a uno bajo. Se le da un valor negativo pues es contraria a la resistencia a la marcha del tren y rampa cuando se circula de planos bajos a planos altos, se considera positiva.
A partir de ahora llamaremos a los planos inclinados sólo como pendientes y especificaremos cuando es rampa y cuando pendiente.
Las pendientes en el ferrocarril pueden ser:
Pendientes dominantes, la pendiente máxima de diseño permisible, ya la estudiamos, donde además vimos las pendientes permisibles según la categoría de la vía.
Existen además otras pendientes que son mayores que la dominante, pero que su utilización se ve limitada por el tipo de vía y sus características.
Hay dos grupos de pendientes, pendientes limitantes y pendientes de proyecto.
1. – Las pendientes limitantes son las que determinan la mayor inclinación posible: pendiente dominante, ya estudiada (id); pendiente de equilibrio (ie), pendiente de tracción múltiple (iTM) y pendiente de inercia (ii)
Las pendientes de proyecto son las que permiten diferentes influencias sobre el balance energético del tren en movimiento. Pendiente perjudicial (iP), pendiente beneficiosa (iB), así como utilizadas en diferentes cálculos, como: pendiente promedio (imed), llamada en los cálculos pendiente transformada o enderezada; pendiente equivalente, la que tiene en cuenta las curvas horizontales (ieq)y la pendiente efectiva o natural (in), que es la pendiente de la topografía de la zona..
Pendientes limitantes
Pendientes de equilibrio. Pendientes que se utilizan en tramos donde la carga es en una sola dirección, en la dirección de cargado la pendiente es la dominante y en la dirección de vacío la pendiente es mayor que la dominante.
Pendiente de tracción múltiple Pendiente mayor que la dominante que requiere para mantener la circulación de la carga proyectada de la utilización de más de una locomotora (vera epígrafe 3.3.2.2)
Pendiente de inercia. Pendiente mayor que la dominante que para superarla se requiere del trabajo de la fuerza tractiva y el uso de la energía cinética del tren. Estas pendientes son efectivas cuando los tramos que le anteceden son pendientes en las que el tren llega a acumular gran velocidad, acumulando una gran energía cinética con la que supera a la rampa.
La pendiente de inercia a diferencia de las otras pendientes limitantes no puede ser utilizada en tramos de longitud ilimitada, ya que el tren al circular por ella se mueve lentamente a la velocidad mínima continua o a la velocidad mínima horaria, así que la longitud de esta rampa se relaciona muy estrechamente con el valor de su pendiente. La longitud del tramo de inercia li para una inclinación ii se determina con la siguiente expresión:
El cálculo puede realizarse teniendo como dato la pendiente de inercia ii y con ello hallar la longitud li o a la inversa. Teniendo en cuenta que si el tren no circula a la velocidad establecida por el punto de inicio de la pendiente de inercia, existe el peligro de que él se detenga antes de llegar al final del tramo de inercia, por este motivo esta pendiente se construye sólo en caso extremo.
Pendientes de proyecto.
Pendiente perjudicial (ip). Si el tren al circular por una pendiente (descendiendo) de gran inclinación y debido a las fuerzas aplicadas a él, aumenta su velocidad, si la longitud es suficientemente larga, la velocidad puede llegar hasta el valor máximo permisible de velocidad1en el tramo, después de esto, para evitar un aumento de velocidad mayor es necesario aplicar los frenos.
En caso de frenado, parte de la energía potencial acumulada por el tren se trasmite al trabajo de fricción de las zapatas o las llantas de las ruedas del tren o en energía calorífica de los reóstatos. Por eso a los tramos con esta inclinación en la cual se utiliza este frenado se le denomina pendiente perjudicial.
Pendiente no perjudicial o beneficiosa. (ib) Esta pendiente es aquella en la que para llegar al final del tramo, no es necesario utilizar el frenado y así el tren no supere la velocidad máxima establecida en el tramo.
Pendiente media (imed) Es la pendiente determinada entre las cotas de dos puntos extremos, sin tener en cuenta las cotas de los puntos intermedios.
Pendiente equivalente (ieq). Es la sumatoria de la pendiente natural de un tramo y el efecto de pendiente que provoca la resistencia que les hacen las curvas horizontales en ese mismo tramo.
Pendiente transformada o ficticia. Es la suma de varias pendientes de igual signo y valores semejantes, a las que se le adiciona la pendiente equivalente por curvatura. Para unir estas pendientes, debe cumplirse que el valor de la longitud del tramo analizado sea menor que la relación entre 2000 y la diferencia de la pendiente hallada y la pendiente del tramo analizado. La pendiente transformada de un tramo unido se halla como la media ponderada del producto de cada pendiente por la longitud del tramo total del tramo unificado.
3.6. – Cálculo de la marcha del tren.
Fuerzas que actúan sobre la marcha del tren. Sobre la marcha del tren actúan fuerzas que ayudan a su movimiento y otras que no permiten que se mueva.
Las fuerzas que ayudan al movimiento del tren son: la fuerzas tractivas.
Las fuerzas que resisten al movimiento del tren son: las fuerzas de resistencia y la fueraza de frenado.
Fuerza tractiva. Las fuerzas tractivas se originan como resultado de la interacción entre las ruedas y el carril. Como pudimos observar en el Capítulo I, las locomotoras diesel eléctricas y eléctricas tienen en cada eje motriz un motor eléctrico de tracción, las locomotoras de vapor tienen un eje directriz que es movido por el vapor que circula a través del sistema de tuberías, este eje mueve una barra que une al resto de los ejes.
La fuerza tractiva depende de la adherencia que se produce entre las ruedas y el carril, por lo que la fuerza tractiva generada por la locomotora no puede ser mayor que la fuerza de adherencia. De no ser así, las ruedas patinarían provocando desgaste en el carril o en el plano de rodamiento de las ruedas la fuerza de adherencia es igual a:
Esta ecuación nos muestra que a mayor velocidad menor es el coeficiente de adherencia y por ende menor es la fuerza de adherencia y la fuerza tractiva.
El coeficiente de adherencia depende también del radio de curvatura y para R( 500 m, el valor del coeficiente de adherencia es como sigue:
Donde: R – es el radio de la curva en m
Cada tipo de locomotora tiene una curva o nomograma de su fuerza tractiva que depende de la velocidad que desarrolla el equipo.
Las fuerzas tractivas pueden ser totales o unitarias, estas últimas son las utilizadas para el cálculo tractivo y de la marcha del tren. La fuerza tractiva total se representa como Fk y se mide en Kg.
La fuerza tractiva unitaria se representa como fk y se mide en Kg/Ton
La relación entre una y otra es como sigue:
Donde:
P. – peso de la locomotora en T
Q. – peso de los vagones en T
Fuerzas de resistencia. Las fuerzas de resistencia tienen varios orígenes. Pueden ser fundamentales, cuando son originadas por el propio equipo y siempre se van a tener en cuenta en el cálculo y adicionales, las que se presentan en determinadas condiciones por elementos ajenos al equipo, pero que influyen sobre ellos.
Resistencias fundamentales. Las resistencias fundamentales pueden ser:
a. – Resistencias provocadas por la fricción entre los elementos motrices de la locomotora y la interacción rueda – carril.
b. – Resistencia que ofrecen los vagones para ser arrastrados. Peso, fricción entre ruedas y carril y entre los ejes y sus cojinetes.
Resistencias adicionales. Las resistencias adicionales pueden ser:
a. – Provocadas por el viento sobre la carrocería
b. – Los planos inclinados
c. – Las curvas horizontales.
d. – Los defectos en las vías o en las ruedas.
Al igual que en las fuerzas tractivas pueden ser totales o unitarias.
Según el régimen de marcha pueden ser:
En régimen tractivo o con tracción
En régimen sin tracción o con regulador cerrado.
En régimen con tracción se representan (W0 y w0)
En régimen sin tracción se representan (Wox y wox)
La fuerza de frenado es la encargada de detener al tren cuando se encuentra en marcha, siempre se va a utilizar en régimen con regulador cerrado, es dirigida siempre en dirección contraria a la marcha del tren.
La estudiaremos en epígrafe aparte.
Resistencias fundamentales unitarias de los distintos equipos.
Resistencia unitaria de la locomotora. Estas resistencias se agrupan por fabricantes. En nuestro caso estudiaremos las locomotoras norteamericanas y las del antiguo bloque socialista, y se representan por w(0 para régimen con tracción y w(ox. Para régimen sin tracción
Para locomotoras diesel eléctricas en régimen con tracción.
Resistencia unitaria de los vagones. Como existen distintos tipos de vagones y cada uno de ellos influye de forma diferente, la resistencia unitaria de los vagones se representa de la siguiente forma (((0(i) donde ""i"" es el tipo de vagón correspondiente.
Resistencia de los vagones de mercancía.
De 4 ejes con cojinetes de fricción
Americanos, para Q ( 18 T
Tren de la firma Tokkaido
La resistencia es total por ser el tren con equipos automotor todos de un mismo tipo.
– Fuerza de frenado La fuerza de frenado como ya dijimos anteriormente está dirigida en el sentido contrario de la fuerza tractiva.
Sentido de la marcha
Puede ser utilizada para disminuir la velocidad hasta un nivel requerido o detener al vehículo por completo. Puede efectuarse de dos formas.
a. – Con el apriete de las zapatas ubicadas en las ruedas, como se observa en la figura.
b. – Utilizando la fuerza del motor eléctrico del equipo tractivo
La fuerza de frenado del tren se determina en dependencia de la fuerza total de presión de las zapatas de freno por eje del equipo.
Para calcular el valor de la fuerza unitaria de frenado, no tomamos en cuenta el peso de la locomotora.
El frenado puede ser de servicio o de emergencia. Para el frenado de emergencia en lugar de 1000 se utiliza la mitad, 500.
El freno eléctrico de las locomotoras se basa en la utilización de la propiedad de reversibilidad que tienen los motores eléctricos cuando los motores de tracción eléctrica de la locomotora se conectan en el régimen de generador, como resultado de esto, en el eje se produce un momento rotor dirigido en el sentido contrario al movimiento del tren. La energía eléctrica producida puede regresar a la línea de contacto (frenado recuperativo) o se extingue en los reóstatos, lo que resulta ser menos efectivo.
Fuerzas resultantes. Las resultantes son las fuerzas que se obtienen de la interacción de las fuerzas aplicadas en un momento dado al tren.
Si la resultante está dirigida hacia el sentido del movimiento del tren, ésta se considera positiva; si es en el sentido contrario, el tren se mueve disminuyendo la velocidad. Si es igual a cero, el tren se mueve con velocidad uniforme.
Las fuerzas que actúan sobre la marcha del tren y por consiguiente el valor de la resultante se determina según el régimen de marcha del tren.
a. – En régimen tractivo. El motor de la locomotora está en funcionamiento. La resultante será igual a la diferencia entre la fuerza tractiva y la suma de las resistencias. Fk – W0
b. – En régimen de regulador cerrado. El motor está desconectado: la resultante es la suma de las resistencias en ese régimen Wox.
c. – En régimen de frenado. El motor se encuentra desconectado y el freno está aplicado: La resultante es la suma de las resistencias aplicadas al tren en régimen de regulador cerrado y la fuerza de frenado.
Wox + BF
En la mayor parte de la vía, el tren circula en régimen tractivo. Al moverse por una pendiente descendiente o antes de frenar el tren puede circular en régimen de regulador cerrado. El frenado se usa como ya se expresó; para detener la marcha o para disminuir la velocidad hasta el nivel deseado.
En todos los casos se utiliza el frenado de servicio y entonces se utiliza la mitad del frenado de cálculo.
El frenado de emergencia sólo se utiliza en casos excepcionales, en presencia de un peligro inminente y por supuesto sólo se utiliza para detener la marcha del tren.
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