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INGENIERIA DEL TRANSPORTE ITransporte Ferroviario
Unidad 2Infraestructura - la vía férrea
UCA. Facultad de ciencias Fisicomatemáticas e ingeniería.
2008
Juan Pablo Martínez – Roberto Agosta
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Introducción
•La “línea férrea” es la infraestructura en sentido amplio. Comprende la “zona de vía” (zona de camino, derecho de vía) ocupada por la infraestructura propiamente dicha, sobre la cual se construye la superestructura, o vía férrea.
•La zona vía es una franja de terreno de ancho variable. En nuestro país en terreno llano, del orden de 30 m. Se ensancha o angosta en función de obstáculos, topografía, necesidades comerciales, etc.
•Dentro de la zona de vía se construye la “obra básica”. En terreno llano es un terraplén cuya función es elevar la cota de la vía para evitar inundaciones y transmitir los esfuerzos verticales al terreno natural.
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Introducción
• El plano de formación o subrasante sigue aproximadamente la altimetría proyectada para la vía. Sobre dicho plano se instala la superestructura, o sea la vía férrea propiamente dicha. Esta se compone de:
–Rieles.–Durmientes.–Balasto.–Fijaciones.–Otros
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A ≥ 30 cm( 1:1 )
( 2 - 3 % )
( 60 cm )
( 45 cm )
Subrasante
Balasto (posición, transmisión de esfuerzos, drenaje)
DurmienteFijación
Riel
Estructura de Vía
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Par montado
Peso suspendido
TrochaSe mide a 10/15 mm
debajo de la superficie de rodadura
Pestaña
Llanta
Muñón
eje
Rodamiento
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“Juego” de la vía
1.435 (+1.470 / - 1.432) mmtrocha
Nueva 1.426 / Gast. 1.410 milímetros
Juego J : normal = 1.435 – 1.426 = 9 mm
mínimo = 1.432 – 1.426 = 6 mm
máximo = 1.470 – 1.410 = 60 mm
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• La capacidad portante de la vía se expresa en “toneladas por eje”.
• Los ferrocarriles norteamericanos llegan hasta 35 ton/eje. – Éste parece ser el límite superior normalmente aplicado, ya que
pesos axiales superiores implican altísimas tensiones en la superficie de contacto rueda riel que producen fenómenos metalográficos perjudiciales a la durabilidad de rieles y ruedas.
• El peso por eje admisible por la vía depende de varios factores:– De la resistencia del riel, determinada por la calidad del acero, por el
dibujo de la sección transversal (que determina el momento de inercia) y por el peso por unidad de longitud. Los rieles en uso en ferrocarriles modernos tienen pesos de entre 50 y 75 kg por metro lineal.
Capacidad Portante
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• Sigue – De los durmientes.
• Estos pueden ser de madera dura, de acero o de hormigón.• Cualquiera sea el tipo de durmiente, la distancia entre éstos
determina la solicitación del riel que trabaja como una viga.• La capacidad portante de la vía depende entonces de la
cantidad de durmientes colocados por kilómetro. Esto suele variar entre 1500 y 1800 por kilómetro.
– El tipo y espesor de la capa de balasto. En vías con circulación importante se coloca balasto de piedra granítica en un espesor de 20 cm por debajo de la cara inferior del durmiente.
– La calidad del suelo en el plano de formación. La superestruc-tura debe asegurar el drenaje de aguas de lluvia evitando que el agua acumulada afloje la resistencia del plano de formación.
Capacidad Portante
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F
A1
A2
A3
Riel
Durmiente
BalastoA1<A2<A3
Distribución de la carga
Subrasante
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• En nuestro país el estándar de peso por eje es de 20 toneladas sobre líneas de trocha ancha y media, y 17 toneladas sobre líneas de trocha angosta.
• Pero existen líneas con peso axial inferior:– Muchas líneas con 12 a 15 ton /eje.– Desaprovechamiento de la capacidad de carga del material
rodante, ya que éste se puede cargar solamente hasta el peso que permite la vía más débil a lo largo de todo el recorrido.
Capacidad Portante
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Rieles• Son dos barras paralelas, de acero, separadas entre sí por una distancia invariable, la trocha, dentro de un margen de tolerancia.
• Sus funciones son:
– Sustentación: soportar el peso de los vehículos a través de la reacción que se establece en la superficie rueda-riel.
– Guiado: proveer en interacción con el perfil de la rueda al guiado de los ejes de los vehículos
• Cconicidad de la rueda • Esfuerzo transversal entre la cara interna del riel
(en relación al eje de la vía) y la cara externa de la pestaña de la rueda.
– Tracción y frenado: los rieles son el único elemento físico de contacto con el tren y es a través de ellos que se aplica el esfuerzo tractivo que hace avanzar el tren, así como el esfuerzo de retardador que lo hace detenerse.
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Rieles
• El acero es de alta calidad, con 0,7% a 0,8% de contenido de carbono, y se usan aleaciones especiales, más duras, para colocar en puntos comprometidos (curvas, fuertes pendientes, etc.) o en piezas críticas de los aparatos de vía.
• La característica principal del riel es su peso, expresado en “kilos por metro”. En nuestro país la mayoría de las líneas principales de trocha ancha recientemente renovadas tienen rieles de 50 kg/m; hay unos pocos tramos suburbanos con riel de 60 kg/m.
• Los rieles se laminan y salen de fábrica en barras de 18 m o de 36 m. Antes de ir a la obra suelen soldarse en barras, usándose la soldadura eléctrica. Y al colocarse en la vía, según lo permita el resto de la superestructura, pueden soldarse en longitudes indefinidas, mediante el procedimiento aluminotérmico.
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Rieles• PERFIL:
– Cabeza– Patín– Alma
Cabeza (Hongo)
Sus funciones son:– Repartir las cargas de zonas donde se produce el contacto
llanta – riel al resto de la cabeza– Permitir radios de acuerdo con el alma– Mantener margen para el desgaste vertical y, el lateral
producido en curvas radio reducido– El desgaste es de aproximadamente: 1 mm/ 80 millones de
toneladas brutas.
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RielesPatínSus funciones son:
– Brindar resistencia al vuelco transmitir las presiones al durmiente.
AlmaSus funciones son:
– Espesor suficiente para dar resistencia al corte– Altura para aumentar el momento de inercia
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Tercer Riel
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• Reciben el esfuerzo vertical transmitido a través de la superficie de contacto con el patín del riel.
– El riel va sujeto al durmiente por un dispositivo de “fijación”– La presión que recibe el durmiente del patín del riel se atenúa en
la cara inferior en que aquél está en contacto con el balasto.
• Los durmientes deben soportan los esfuerzos verticales transmitidos por el riel y la reacción transmitida por el balasto.
• Asimismo trasladan al balasto los esfuerzos transversales y longitudinales.
• Los durmientes son en general de madera dura cuya provisión es cada vez más difícil (también razones ambientales) por lo que adquieren interés otros tipos de durmientes:
– De acero.– De hormigón, monoblock.– De hormigón, bi-block.
Durmientes
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Llanta cónica e inclinación del riel
primitivo moderno
r’ < rr’’ > r
r
vista en planta
vista en corte
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• El mejor balasto es de piedra partida granitica.
– Es de piedras duras partida de tamaño de 25 a 50 mm.
– La forma angulosa de las piedras permite una trabazón que facilita la transmisión del esfuerzo de la cara inferior del durmiente a la subrasante.
– Permite por su granulometría el drenaje y evacuación rápida de aguas de lluvia.
– Amortigua vibraciones por rozamiento de áridos.– Hace posible mediante bateado mecánico la rectificación
rápida de la nivelación y trazado.
Balasto
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• Espesor de 10 a 20 cm según el tráfico bajo durmientes de madera, y de 15 a 25 cm bajo durmientes de hormigón. En vías de alta velocidad el mínimo es 30 cm.
• Subbase: Una o más capas compactadas con pendiente transversal 4 %.
• En la Argentina muchos ferrocarriles fueron construidos procurando bajar el costo inicial. La aplicación más rudimentaria es la vía sin balasto.
– El durmiente se entierra bajo una capa de suelo, permitiendo el crecimiento de la vegetación en medio de la vía.
– La base se afloja cuando llueve lo que puede dañar mucho la vía y ser motivo de descarrilamiento.
– Se interrumpe el tránsito hasta que se seque.
Balasto
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BalastoDurmiente (en madera: 12 x 24 ) longitud = trocha + 1m separación en vías principales = 60 cm (entre 1100 y 1700/km)Otros materiales: hormigón armado y pretensado / metálicos
Balasto: piedra granítica de aristas vivas de entre 2 y 6 cm con desgaste LA ≤25%. Entre 1700 y 3000 ton/m de vía según trocha.
Pd = P / (b d)h ≥ 30 cm
d = 90 cm
P
Zona sin compactar
Long.durmiente
t
b
Pd = P / [ (2h + b) d ] ≤ σadm
Durmiente
45°
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Fijaciones
• Funciones mecánicas:– Mantener el ancho de la vía (trocha)– Evitar el vuelco del riel– Mantener apretado el patín del riel al durmiente– Impedir el desplazamiento longitudinal del riel– Conseguir una elasticidad adecuada en el apoyo del riel con
el durmiente.
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Fijaciones• Clasificación:
– Directas: El anclaje al durmiente proporciona el esfuerzo de apriete (clavos de vía, tirafondos)
– Indirectas: El riel se apoya sobre una placa anclada al durmiente. El esfuerzo de apriete es sobre la placa
– Mixtas: Con placa, pero el anclaje es el mismo que proporciona el esfuerzo de apriete
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Fijaciones• Clasificación:
– Además, según la reacción del elemento de apriete conrelación a desplazamientos verticales:
• Elásticas (Pandrol, Nabla, Vossloh)
• Rígidas
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Rieles y fijaciones
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Material chico• Eclisas: son barras de acero
que mediante bulones unen dos rieles contiguos.
– Suele tener 6 agujeros, y se sujeta a cada riel con 3 bulones.
– La forma debe ser plenamente acorde con la del riel, para que haya un apoyo perfecto.
– El paso de cada eje solicita la eclisa y se produce un movimiento relativo a los rieles, con un desgaste gradual que lleva al aflojamiento. Cuando esto alcanza cierto límite, se colocan suplementos.
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Material chico
• Anclas de vía• Los esfuerzos longitudinales que soportan los rieles los
hacen desplazarse en forma gradual:– En las zonas de “arranque” de los trenes. – En rampas y pendientes.
• Para evitar este efecto se coloca el “ancla”, una pieza que toma el riel por el patín, en forma elástica.
– El ancla se coloca al lado del durmiente y si el riel tiende a “caminar” el ancla lo acompaña pero topa con el durmiente, a su vez contenido por el balasto.
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Rieles y fijaciones - anclas
Inclinación hacia adentro 1:20
Peso : 50 a 70 kg/mResistencia: 70 a 90 kg/mm2
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Soldadura• Las juntas con eclisas son el punto débil de la vía.
– Entre riel y riel hay siempre una luz, que tiene en cuenta la dilatación
– Interrumpe la lisura de la rodadura, produciendo el “golpe de vía. • Con el tiempo las eclisas se desgastan y se afloja el balasto debajo de los durmientes inmediatos, dando lugar a un creciente descenso de uno de los rieles, antes que la rueda toque el siguiente.
– A medida que esto sucede, aumenta la fuerza del golpe, que deteriora al propio riel y a la rueda, así como es causa de disconfort para los pasajeros.
– El mantenimiento en buen estado de las juntas es una tarea costosa.
• Para evitarla se sueldan los rieles contiguos formando barras más largas.
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Gálibo•Gálibo mínimo de obra
– Todo vehículo debe poder circular sin embestir obstáculos fijos como serían los puentes, edificios, postes de señales, columnas de sostén de la línea aérea eléctrica, etc.
– Se define así un perfil o sección transversal a la vía que es una figura dentro de la cual no debe estar ninguna construcción o instalación fija.
• Gálibo de material rodante– Todo material rodante que se autorice a circular sobre un dado
ferrocarril, deberá estar inscripto en un perfil de máxima denominado “gálibo de material rodante”. Esta figura “cabe” dentro del gálibo mínimo de obra, con un margen de seguridad suficiente.
• Los gálibos deben normalizarse en las grandes redes ferroviarias nacionales o internacionales.
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Gálibo de tren rodante
Argentina
Trocha ancha
enwww.cnrt.gov.ar
NSR
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Gálibo de tren rodante
Argentina
Trocha angosta
NSR
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NSR
Gálibo de tren
rodanteinferior
Argentina
Trocha angosta
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Contra riel
Contra riel
Agujas
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Enlaces
Tijeras
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Cambio de Vía
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Cambio pasando la
esmeriladora
Corazón
Contrarriel
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Haz de vías
Cambio recto a la derecha
Contrarriel
Cambio simétrico
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45Aparatos de vía
Enlace
Cambo izquierdo
Inglés doble
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