Caminos Jose Luis Escario 1943 Tomo I

PRO LO G O

P

recoger el autor en las páginas de este libro cuantos problemas se hallan planteados, en el momento presente, en la técnica

RET ENDE

..

de la construcción y explotación de caminos ordinarios; y como, 'en la parte de proyecto y construcción, los procedimientos técnicos en caminos ordinarios o ferrocarriles son idénticos, se examinan las características de estos últimos, estrictamente en aquello que puede influir en el trazado y construcción de la explanación, para que el lector pueda encontrar las bases para formular el proyecto de un ferrocarril. . La técnica del camino ha evolucionado profundamente en los últimos años; cuando el día de la paz llegue. todos los países habrán de realizar una modificación sustancial de su red de vías ordinarias, para adaptarla a los progresos que la experiencia de la mecanización de los ejércitos producirá en el vehículo; alguien ha dicho que en ese futuro. que ojalá sea próximo, los caminos actuales de primer orden quedarán , casi con la categoría de los vecinales de hoy; la autoestrada, que hace unos años parecía manía de grandezas, será una realidad .ineludible para las redes principales de una Naci6n que quiera marchar al ritmo del siglo. . y además, estamos seguros de ello. la Administración del Estado habrá de ocuparse. con un concepto nuevo. de la explotación de la red nacional de caminos. Ante,esa tarea, que, ha de imponerse en plazo siempre breve, hemos pretendido plantear todos los problemas actuales, estudiados con l~ visión práctica que nos da una experiencia profesional de veinticinco años: parte de ella como administración, y parte, como constructor. Por haber vivido los problemas, no ignoramos la dificultad y responsabilidad . . de opinar, ni mucho menos las imperfecciones de nuestro Tratado; pero como lo mejor es enemigo de lo bueno, hemos creído preferible exponer

v

a la crítica nuestra modesta labor. que dejar de hacer una aportación que la técnica española precisaba desde hace mucho tiempo. Pretendemos corregir y completar nuestra obra 'con apéndices bianuales, en los cuales se recojan las novedades que surjan; desearía el autor contar, para esta labor complementaria, con la colaboración de todos los compañeros que pudieran aportar una experiencia española, que él se encargaría de. ordenar y sistematizar; todos comprenderán la trascendencia del propósito, y por ello estamos seguros de que éste se verá eficazmente secundado. Si nuestra tarea sirve para e.l fin expresado, la agobiante labor que ha representado su realización en los momentos actuales quedará compensada por haber contribuído, modestamente, a la reconstrucción de España. El autor agradece profundamente su gentileza a cuantos le han proporcionado los datos, planos y fotografías reproducidas, y muy especialmente al señor Embajador de España en Wáshington. D. Juan F. de Cárdenas, por.la valiosa información americana recibida, que sólo gracias a su hidalguía ha podido llegar a su poder en las difíciles circunstancias que atravesamos. Igualmente agradece la completa informacién proporcionada por las Embajadas de Alemania e Italia en Madrid, y especialmente, por el Instituto Sperimentale Stradale de Milán, y su insigne director, el Profesor Arriano. En la preparación de este libro, colaboró con el autor, ayudándole en la penosa labor de selección y ordenación de la información extranjera, el Ingeniero de Caminos D. José Antonio Jiménez Salas, entonces alumno de 5.0 año de la Escuela.

José

LUIS ESCARIO.

CP "Jtl-r-4

et.t.

"2

.f/la rueda (fLrdepende, entre otras cosas, de la velocidad), el producto P X fL r' d·el peso adherente P, por el coefi'Ciente ele rozamiento por rotación 1.1 r' Este fenómeno tiene consecuencias perfectamente conocidas; un automovilista que conduce su coche en un terreno de pequeño coeficiente de rozamiento, cuando el coche empieza a patinar, no se le ocurrirá sacarlo adelante aumentando el par motor; si lo hace así, el coche patinará cada vez más. Para salvar una fuerte rampa en un ferrocarril, no se consigue nada aumentando la potencia de la locomotora a partir de un cierto límite; habrá que aumentar, al mismO' tiempo, el peso adherente de la locomotora, el peso que actúa sobre las ruedas motoras;

32

-í solamente se aumenta la potencia, la locomotora patinará cuando el esfuerzo motor sea superior al producto del peso adherente, por el coeficiente de rozamiento por rotación. El valor del coeficiente de rozamiento por rotación, p. r' es función muy compleja ele las características físicas de las dos superficies en contacto (en definitiva de p. a ) y de su velocidad relativa; y es diferente según se mida en el sentido de la marcha o transversalmente a ella; hecho

Fig. I8. - Ca.rro del, 1. S. S., de Milán.

perfectament.e lógico, pues es ¿;stinta la velocidad relativa en las dos direcciones. No se puede, por tanto, determinar más que experimentalmente, midiendo las fuerzas que en el movimiento intervienen; la determinación, para que sea lo más exacta posible, ha de hacerse en la realidad, cuando el vehículo rueda sobre un firme en una extensión relativamente grande. Existen diversos aparatos de medida, fundados todos ellos en el mismo principio: disponer un carrito remolcado por un tractor, en el cual se mida el peso que actúa sobre las ruedas y el esfuerzo tractor, por medio de un .dinamómetro. El profesor ARRIANO, Director del Instituto Sperimentale Stradale de Milán, para hallar el coeficiente de rozamiento por rotación entre los neumáticos y las diferentes clases de firme, emplea el carro de medida de las figuras 17 y 18, carro que une a un trador o camión; el peso del carro de prueba puede variar dentro de ciertos

33

límites, lastrándolo convenientemeI1te; el americano MOYER emplea el dispositivo de la figura 19; los franceses, el de la figura 20, en el cual se puede cambiar el ángulo de la rueda, con objeto de medir los coeficientes del deslizamiento transversal. El coeficiente de rozamiento por rotación varía con la velocidad, con la naturaleza y estado del neumático, con su presión interna de aire, con la naturaleza del pavimento de la carretera y su estado de sequedad y humedad.

Fig.

19. -

Carro del Prof.

MOYER.

El coeficiente de rozamiento por rotación tiene un valor cuando se mide en el sentido de la marcha: al entrar el vehículo en una curva, aparece la fuerza centrífuga que, compuesta con la motriz, da una resultante, F;, si el producto del peso por el coeficiente de rozamiento en dirección transversal es superior a la fuerza centrífuga, el vehículo no patina; pero cuando es menor, se produce el deslizamiento transversal. El coeficiente de rozamiento transversal tiene valores distintos del coeficiente de rozamiento por rotación en sentido de la marcha; es función de la velocidad, pero en menor proporción, cosa perfectamente lógica, pues, según antes hemos dicho, la velocidad relativa es menor y el fenómeno es más similar al deslizamiento de dos superficies sin movimiento de rotación; hasta un cierto ángulo, 15° a 18°, con la direc-

34

ción de la marcha, depende de él; para ángulos mayores es independiente ele su valor. De los estudios presentados al Congreso Internacional de La Haya, de 1938, especialmente de la Memoria de MOYER, se deduce: a) Al aumentar la velocidad, en general, disminuyen los coeficientes de rozamiento por rotación, a menos que se trate de firmes de piedra partida.

Fig.

20. -

Cano francés.

b) El coeficiente de rozamiento transversal es, generalmente, mayor que el longitudinal; por otra parte, el primero es menos sensible que d segundo, a las variaciones de la velocidad. e) El agua no siempre hace decrecer el coeficiente de rozamiento; para algunos tipos de firmes, lo aumenta. d). Entre las distintas clases de firmes existen diferencias notabIes: el mínimo no corresponde a los firmes más lisos; los firmes bituminosos nos son necesariamente más deslizantes que los otros. 35

e) El valor de los coeficientes varía desde 1 hacia abajo, ig~alán­ dose los valores de los dos coeficient.es, longitudinal y transversal, en las proximidades de 0,60. Como términos medios, se pueden tomar para una velocidad de 40 kilómetros a la hora los siguientes coeficientes de rozamiento: Longitudinal

Hormigón de cemento.... Mosaico Macadam bituminoso.. Adoquina,do .

.

0,75 a 0,50 0,65 a 0,30 0,80 a 0,40 0,60 a 0,20

Trans\"ersal

0,70 0,60

0,60 0,50 0,50 a a

Probablemente, el examen de las cifras anteriores producirá al lector extraiieza, al ver coeficientes más bajos para firmes que, en general, se consideran menos desl izantes, y es que, de acue¡-.do con la conclusión d) antes citada, no es lo mismo una pequeña rugosidad que da una

j

,'¡

...

(1)

(2)

j'¡g. 21. - Influenóa de la presión del neumático en la superficie de contacto con el firme; neumático de 4 X 17, con carga de ISO Kg. sobre firme de hormigón liso, (1): presión, 1 Kg./cm.'; (2): presión, 3 Kg/cm.'; (3): presión, S Kg./cm'

36

gran superficie de contacto entre la rueda y el firme, que la desigualdad, que, en algunos pavimentos, como ciertos adoquinados, hace disminuir muy rápidamente la superficie de contacto; pues, GOmo dice el Profesor ARRIANO: "Una rugosidad 'muy acentuada puede disminuir el contacto entre el vehículo y el firme, aumentando así el peligro del deslizamiento". Las fotografías de la figura 21, reproducidas del trabajo de ARRIA-

Fig.

2'1,

a. - Gomo en la figura

21,

sobre firme de hormigón rugoso.

Rugosidad y pendiente, demuestran CÓmO puede disminuir la super.ficie de contacto de la rueda y el firme, según la naturaleza de éste, y cómo un firme muy rugoso, pasando de un cierto límite, puede ser causa d~ un menor coeficiente de rozamiento por rotación.

NO,

23. R.esistencia a la rodadura. - Existe, por último, el coeficiente de resistencia a la rodadura, que es la reladón entre la fuerza tangencial que el par motor origina, necesaria para un movimiento continuo con velocidad constante, y el peso que actúa sobre las ruedas: coeficiente que puede medirse experimentalmente con los carros de ensayo antes descritos. El coeficiente de resistencia a la rodadura depende de la velocidad del vehículo, la presión y' forma de los neumáticos, la carga

37

que sobre ellos actúa, la naturaleza del firme y la pendiente del camino. La resistencia a la rodadura puede expresarse por R = pP; p es un coeficiente que depende de los diversos factores antes enumerados. El coeficiente p, según los resultados obtenidos por ANDREAN, del examen del coche con el cual EYSTON alcanzó la velocidad de los 575 kilómetros por hora, y de las experiencias ele la "Continental" (Profesor .

'

. )

~

(,

~-

.~.

;; JI,-· \

. , j,

Fig.

21,

b. -

Como en la figura

21,

sobre firme ele hormigón muy rugoso.

ARRIANO, La resistencia a la rodadura de los vehículos con ruedas de )1 algunos factores que influyen en ella), pueden expresarse por la fórmula:

90111a

(J

=

P

l

(

0,64

,20

3

+

V ,7) 1,294,000 _ P 1,44 .

siendo p la presión de los neumáticos; el valor de p es, por tanto, directamente proporcional a la velocidad e inversamente proporcional a la presión de los neumáticos: al decrecer ésta, aumenta rápidamente el valor de p. Experimentalmente, el Profesor ARRIANO ha determinado los coeficientes de resistencia a la rodadura, que trascribimos a continuación: 38

I

I

COEFICIENTE

I

SITIO DEL ENSAYO (MILÁN)

CLASE DEL FIRME

ESTADO DEL FIRME

Con 370 kilogramos y presión de los neumaticos de Kg./cm.'

DE

RESISTENCIA

2,2

4,11

6

1

2,2

------ --- --- --- --- --- --Via Bolicelli . . . . . . Tratamiento superricial (alquilrán) .

LA

Con 480 kilogramos y presión de los neumaticos de Kg./cm.'

I 1

A

4,11

RODADURA Con 590 kilogramos y presión de los neuma' icos de Kg./CI11. 2

..

1

--- - - - -

2,2

4,11

6

--- --- ---

I

Bueno • . . .

-

0,015

0,013

0,0113

-

0,0144

0,0118

0,010S

-

0,0144

O,Olló

0,0101

Exc.lente . . . I

-

0,013;

0,GI09

0,0096

-

0,0132

0,0101

0,009

-

0,014

0,0101

0,0089

Discreto . . . .

-

0,0145

0,0123

0,0104

-

0,014

0,0124\ 0,0107

-

0,0153

0,0116

0,0099

Bueno . . • .

0,017

0,0145

0,0116

0,0101

0,0177

0,0135

0,0104

0,0092

0,0195

0,0141

0,0103

0,009

Excelente ••

0,0177

0,013

0,0113

0,009

0;0186

0,0132

0,0109

0,0092

0,0196

0,0134

0,0097

0,009

Excelente . . •

0,018

0,015

0,0118

0,0107

0,0196

0,0144

0,0104

0,0102

0,0196

0,015

0,0114

0,0094

0,017

0,0161

0,0144

0,0206

0,0157

0,0144

0,0132

0,0216

0,0165

0,0136

0,0126

Via Caracciolo . . . . . Tratamiento superficial (mezcla en frío de

alquitrán

y

polvo asfáltico). .

Via Pier della Francesca Capa de rodadura de gravilla embetunada apisonada. VIa Certosa. . . . . .

Hormigón . . . . .

Corso Sempione, . . .

Hormigón asfáltico tipo Topeka . . .

Via Espinasse . . . . . Adoquinado de pórfido . . . . . . . Via Imbonati . . . . . .. Idem id . . . . . . W \O

Defectuoso. . . 1 0,0208

Del atento examen del cuadro se deduce la influencia que tiene, a igualdad de presión del neumático e igualdad de carga, una buena pavimentación, en el coefi'ciente de resistencia a la rodadura; los neumáticos de baja presión, convenientes para una rodadura cómoda, especialmente con pavin1:entos malos, resultan caros en consumo de combustible; pór ejemplo, con un buen pavimento, Corso Sempione, de hormigón asfáltico tipo Topeka,con la carga de 370 Kg. llega a disminuir de 0,01'77 a 0,009, o sea e! 49 por 100; con un firme de adoquinado en mal estado, vía Imbonati, sólo desciende de 0,0208 a 0,0144, o sea el 30 por 100; la mejora de la pavimentación para una presión normal de 6 Kg./cm. 2 , puede hacer disminuir el valor de p de 0,0144 a 0,0096, o sea el 50 por 100. El lector puede calcular la trasceüdencia de estos factores en el consumo de gasolina; la práctica demuestra, midiendo directamente el consumo de combustible. la reducción de gasto que se logra con un buen firme y una alta presión en los neumáticos, a igualdad de los demás factores. 24. Otras res,istencias al mo,vimiento. - Las resistencias que un vehículo encuentra a su movimiento, exclusión hecha de la resistencia a la rodadura, son: 1." Rozamientos internos de los mecanismos del vehículo; entre otros, rozamiento de las ruedas con sus cojinetes en los vehículos de motor mecánico, o de la rueda con el perno, en los de tracción animal. 2." Resistencias externas: a) Resistencia al movimiento en las rampas. b) Resistencia del aire. La resistencia al movimiento por rozamientos internos depende de la naturaleza de! vehículo y forma de estar dispuestos sus órganos de rotación y transmisión: para un mismo vehículo, depende de su peso. Calcular matemáticamente este coeficiente, teniendo en cuenta todas las complejas caraderísticas dei fenómeno, es prácticamente imposible; se puede plantear el problema, como mera disquisición de orden científico, pero muy lejos de la realidad; la determinación experimental de la resistencia es el único camino lógico y seguro. El coeficiente de rozamiento interno de un vehículo de tracción animal es el rozamiento del perno con la rueda, que varía de 0,10 a 0,15 para los vehículos antiguos; hoy día puede cal'cularse reducido a 0,02 a 0,015; cuando la relación entre los radios del perno y de la rueda vale 1/20 (cifra normal) la resistencía varía, en los vehículos antiguos, de 15 a 30 Kg. por tonelada, y en los modernos, de 6 a 10 Kg. En los vehículos de tracción mecánica, la determinación de los ro-

40

zamientos internos se hace con el aparato de la figura 22: una dínamo, D, que puede funcionar como motor, va unida a un eje, a, que lleva unos

tambores, T, que pueden calarse en distintas posiciones en el eje para que sirva para diferentes anchos de vía. A la derecha, existe otro tambor, T', que va unido a otra dínamo, D'; el aparato va dotado de un contador de vueltas y un dispositivo para medir el par de torsión del eje. El aparato sirve para medir la potencia del automóvil y el valor de sus resistencias internas. Para medir las l"'esistencias internas se coloca el vehículo sobre el aparato, manteniéndolo fijo en sentido longitudinal,

Figura

22.

mediante un tirante que lleva interpuesto un dinamómetro, y con la ruedas motores sobre los tambores T y T'; haciendo actuar la dínamo D como motor se obliga a girar, por rozamiento, las ruedas del vehí·culo, y la otra dínamo, D', que funciona como generador. Cargando los ejes con pesos distintos y dando a las ruedas diversas velocidades, se mide la potencia consumida por la dínamo D y la engendrada por la D', y conociendo el rendimiento del aparato, se puede determinar la resistencia por rozamientos internos. La potencia efectiva del coche, se determina haciendo funcionar el motor del automóvil y midiendo la potencia producida por las dos dínamos, actuando como generadores. Las resistencias internas pueden, aproximadamente, determinarse por la fórmula: R¡= ClP; en la cual el coeficiente a varía entre límites muy extensos, dependientes no sólo de la clase de vehículo sino también de la naturaleza del pavimento; en un mal firme, a puede llegar a valer 0,12, descendiendo hasta 0,01 en un firme liso, por ejemplo, hormigón hidráulico. 41

Aproximadamente, pueden tomarse como valores del coeficiente de resistencia total a la rodadura, en horizontal y recta (resistencia a la rodadura + resistencias internas) los siguientes: Automóviles sobre fimlc de cemento . macadam bueno . maca,dam regular asfalto .. . . buen adoquinado . Automóvilesco'n bandaj es macizos ,sobre firme de ma·cadam ... Tractores con bandajes macizos sobre buen firme .. macadam regular.. terreno regula r. ....

13 Kr- /-. 20 25

15

30 30 25

35

so

Como términos medios pueden tomarse: Automóviles :C011 neumáticos Camiones con bandaj es macizos.

.

20 Kg./t.

30

25. Aumento de resis,tencia en curva. - Las curvas producen un pequeño aumento de resistencia, debido a que los planos de las ruedas no son exactamente paralelos al de la marcha, sino que tienen una cierta inclinación, que depende del ángulo en el centro de la curva; esta desviación del plano de la marcha produce un ligero aumento de resistencia interna, aumento que, para las curvas corrientes en las modernas carreteras (mayores de 10 metros), puede despreciarse. 26. R.esistencia al movimiento en las rampas. - El peso, P, del vehículo (fig. 23), se descompone normal y paralelamente a la rampa, en elos fuerzas: P cos a y P sen a, siendo a el ángulo del camino con B

A

0:\L ___

p

C

Figura 23..

la horizontal; generalmente pr.ácticamente muy grande, 42

como a es muy pequeño admisible), -eos a es muy es igual a P; existe otra si la pendiente no lo es,

(6 a 8 por 100 es el maXl1l10 próximo a la unidad; P cos a, fuerza, P sen ,a, que, aunque no actúa en sentido contrario del

movimiento como una resistencia suplementaria, qUE: puede valorarse en: Rp

= P sen al

*

P tg a = Pi,

si i es la pendiente; si ésta se expresa en milésimas y P en toneladas, se puede decir que la resistencia será de tantos kilogramos por tonelada como milímetros por metro tiene de pendiente el camino. Si en vez de recorrer el camino en el sentido de la rampa, lo hiciel~a el venículo en el de la pendiente. entonces la fuerza Pi iría a sumarse al esfuerzo de tracción. 27. Resistencia del aire. - Tiene poca importancia en el caso de vehículos de tracción animal, que marchan a pequeña velocidad; en cambio, en los automóviles, adquiere valores que es preciso tener en cuenta. La resistencia del aire está compuesta de dos partes: la resistencia propiamente dicha, que la parte anterior del vehículo tiene que vencer, y la originada por el vacío que se forma en la parte posterior del coche: ésta tiene más importancia que la primera; para disminuir ambas, especialmente la segunda, se tiencle a dar a los coches formas aerodinámicas, en las cuales la parte posterior del vehículo se adapta al vacío que se produce, reduciéndolo a un mínimo y, por tanto, a un mínimo también, el valor de esta resistencia. La resistencia del aire, viene dada por la fórmula: R a =KSV2

,

en la cual S es la mayor sección transversal o gálibo del coche en metros cuadrados; V, la velocidad en kilómetros por hora, y K, un coeficiente que depende de la forma y dimensiones del vehículo, que varía de 0,005 a 0,006. El pequeño valor del coeficiente K) hace que R a sólo adquiera una cierta importancia, a partir de velocidades elevadas. Como se ve por la fórmula, la resistencia del 'aire es independiente del peso del vehículo; para los valores citados de K y las unidades adoptadas, R a viené expresada en kilogramos. 28.

Resistencia tota:l del movimiento. -

La resistencia total del

movimiento será:

el signo R p variará, según se trate de marcha en el sentido de la rampa o de la pendiente. 43

P

J

/

29. Material ferrQviario. - El material ferrovia. rio son las 10comotoras y el material arrastrado o vagones; este último puede ser de diversas dases: para personas, mercancías, coches especiales, etc.; pero sus características, desde el punto de vista que nos interesa para nuestro estudio actual, el establecimiento y conservación de la explanación, son idénticos. El material arrastrado, o vagones, está formado por vigas 1Gngitudinales, unidas por transversales extremas, intermedias y di agot.lales ;

70

70

11 ~i-, '/"1-,

~rnnr-/',,;.;;.:~~:.!:2.

y·e

22

J

__

Figtn'a 24.

el bastidor se apoya sobre los ejes de las ruedas por medio de muelles o ballestas. En los coches largos, con cuatro ej'es, la caja se apoya sobre una ba1lesta, y ésta, por medio de muelles, sobre otra, que, a su vez, va soportada, con uniones especiales articuladas, por otro bastidor, el del carretón. Las ruedas, en el ferrocarril, difieren fundamentalmente de las ruedas de los vehículos ordinarios: éstos se pueden mover libremente dentro de la explanación de la vía; en el ferrocarril, el vehículo va forzosamente dirigido por los carriles y las ruedas van guiadas en ellos por las pestañas (fig. 24); si la llanta de la rueda fuese cilíndrica, seria preciso que el ancho interior entre las cabezas de los carriles y el exterior de las pestañas de las ruedas fuese exactamente el mismo. Si existiese una pequeña diferencia, en la marcha, se producirían golpes constantes de la rueda contra la -cabeza del carril, que harían incómodo el movimiento 44

y, además, peligroso, pues el violento trabajo del carril y pestañas podría producir la rotura de uno u otras; este inconveniente se evita con la conicidad de la rueda, que permite un pequeño huelgo, y hace sea posible un centramiento automático y suave del material en la vía. Los ej-es pueden ir montados en forma que permanezcan constapteniel}te paralelos entre sí, durante el movimiento; entonces, las distancias entre los eje!;) extremos se denomina "base rígida". En los vehículos largos, los ejes tienen un pequeño juego alrededor de un ej-e vertidal, que los permite colocarse en las curvas, según el radio ele las mismas. Los vehículos de gran longitud van montados sobre carretones, que giran alrededor de ejes verticales. Normalmente, son de dos o cuatro carretones; más raramente, de tres o seis, y, excepcionalmente, de 10 ó 16, en grandes vagones y coches automotores. El ancho normal de la vía europea es de 1,435 metros; en España y Portugal, la vía tiene un ancho de 1,674; en Rusia, el ancho es de 1,524, y en Suiza, de 0.891. Las locomotoras pueden ser de vapor, eléctricas o de aceite pesado. El bastidor de la locomotora va apoyado sobre los ejes de las ruedas; hay ejes unidos al motor o ejes adherentes) y ejes que sólo tienen por función soportar el peso de la locomotora o ejes libres; en los trenes de mercancías, que deben dar un gran esfuerzo de tracción con velocidad reducida y las ruedas deben ser de pequeño diámetro, todos los ejes pueden ser adherentes; en los treries de viajeros, de gran velocidad, donde el diámetro de ruedas ha de ser grande, necesidades constructivas obligan a reducir el número de "ejes adherentes". El tipo de locomotora se indica con tres números, el intermedio de los cuales es el de ejes adherentes, y los otros dos, el de ejes libres, antes y después de los adherentes. 30.

El movimiento. R.ueda motriz. Ecuaciones del movimiento.

SupongamQs una rueda motriz (fig. 25) que tiende a girar en el sentido de

Figura 25.

Figura 26.

45

la flecha; si el firme y la rueda fueran dos superficies perfectamente lisas, la rueda deslizaría sobre el firme, patinaría; pero como existe un coeficiente de rozamiento por rotación, el par, M) produce una reacción, R) del firme sobre la rueda, que la hace avanzar. Si R es la resistencia total al movimiento, que antes hemos valorado, y P es el peso, el par de giro, M, valdrá (fig. 26): M

=

R (1' + ab)

+ P (e + Ob) = R (1' + ab) + P (e + p ~ a);

ah) menor que el radio del eje, es despreciable en relación con de la rueda ; luego podemos poner:

M= Rr+ P (e

'.-',

\'

I

/'j.

I I I

./ W

I

I I I

/.,,'

'/ .;>,,¡. .....

\', , '

\

I

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I

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I

....

I .... "

I I

, .',

\

1

........

....

I I

"~~

'-t-

........

1 1

I

'{ Figura 58.

Ejemplo: El mismo camino del ejemplo del epígrafe 55, con 8 m. de anchura, velocidad de 100 Km./hora y firme de hormigón hidráulico (fL = 0,60) se encuentran dos rasantes, ú = 0,06 e i 2 = - 0,05 ; se quiere calcular la curv,a de enlace en perfil. La distancia de visibilidad -calculada en recta es d v = 14.7,68 m.; la tangente del ángulo de las dos rasantes vale tg y = 0,06 0,05 = = 0,11; con una altura de la vista del conductor de 1,20 m., la tangente del ángulo de las rasantes no deberá exceder de

+

4 X 1,20

- - - - = 0,0325;

147,68

114

como tenemos una supenor, es precIso un enlace circular con un radio. R

d'

= _V_o = 8h

2.271,81 m. ~ 2.300 m.;

las condiciones de regularidad de la marcha exigen, sin tener en cuenta el coeficiente 2 por la brusca aparición de la fuerza centrífuga, un radio mínimo V2 Rl =---3,6 2 X g

tomando bl = 0,006; al = 12; P = 350, el va'lor de Rl resulta: R = 2.485 m.

~

2.500 m.

La Instrucción española exige: P -- X

g

v2

--+ P= 1,25P; R

que, expresando V en Km. por hora, da, para valor de R,

R=

V2

--~=3.145m.;

3,6 2 X 0,25 X g

~).

bastante superior a los determinados con arreglo a los criterios expuestos. Adoptando un radio, R = 2.500 m., la flecha del arco (máximo desmonte en relación con las rasantes rectas) será de 3,80 m. La curva se podría sustitutir por un poligono cuyos lados formasen entre sí, como máximo, un ángulo cuya tg a < 0,00125; la longitud del lado de dicho polígono sería: d=2R X -

1 2

tg a

= R tg a= 2.500 X 0.00125 = 3,125 m. .

Es problema muchas veces complicado y que, de no resolverlo en forma adecuada, tiene ,consecuencias de importancia: para el tráfico que la vía ha de servir y para la estética de la obra en sí. Es costumbre equivocada resolver el problema del puente exclusivamente desde el punto de vista del paso del río, dando una importancia secundaria a sus accesos; por ejemplo, la colocación del puente normal al curso del agua obliga muchas veces al establecimiento de curvas de entrada y salida, difíciles y peligrosas, que, además, pueden hacer que la 69.

Accesos a puentes. -

115

estética de la obra pierda mucho, pues no ha de olvidarse que los principales puntos de vista del puente están en el camino. En general, un estudio detenido del problema permitirá llegar a soluciones aceptables. La rasante del puente nunca debe volver su concavidad hacia arriba, pues ello repercutiría en un mal efecto mecánico a la vista; debe procurarse sea convexo hacia arriba, con un bombeo simétrico, si es posible, con relación al eje, y que las rampas de acceso sean rectas en una longitud, po:r lo menos, de 60 m. La rasante del puente no debe ser recta, pues dará lugar a una sensación de concavidad; si la rasante es rectilínea, horizontal o inclinada, la del puente debe trasladarse paralelamente a ella, para lograr un bombeo, c =

_1_ 500

L; cuando la inclinación de la rasante

sea mayor del 3 por 100, el bombeo se reducirá en un 5 por 100 por cada 1 por 100 adicional. En el caso de que el puente esté situado en vaguada, su rasante se establecerá en horizontal, o con una inclinación muy pelqueña; las curvas verticales de acceso pueden tener una longitud muy pequeña, hasta 15 m. en caso necesario. Las anteriores recomendaciones son las que se insertan en el Boletín núm. 1.486 del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, que D. Bienvenido Oliver reproduce en su publicación Curvas verticales en carreteras. STABILINI recomienda el enlace por una curva continua, para el puente y accesos, curva que puede ser de tipo sinusoidal (Le Strade, 1934). Un estudio cuidadoso de cada caso, teniendo como directrices fundamentales la necesidad de una rasante ligeramente convexa hacia arriba en la obra de arte, y la mayor simetría posible de los accesos en relación con la vertical que pasa por el punto medio del puente, darán una garantía de orden estético; el estuclio detallado de las condiciones de vialidad, de acuerdo con Ja.s reglas generales expuestas, dará la seguridad imprescindible para el tráfico; estas normas deben aplicarse aún con mayor rigor que en el caso general del camino, pues los puentes son siempre puntos peligrosos para la seguridad del tráfico. La locomotora se mueve sobre los carriles; para que las ruedas motrices avancen es preciso que el esfuerzo tangencial que ejercen sobre aquéllos no sea superior a la resistencia del rozamiento por rotación; si lo fuese, la rueda motora patinaría. El -coeficiente de rozamiento por rotación es normalmente de 1/6 a 1/7; puede elevarse a 1/4 cuando el carril esté muy seco o muy mojado, y descender de 1/10 a 1/11 cuando esté solamente húmedo, recu70.

116

Ferrocarriles. Adherencia. -

bierto de materias grasas o de hojas caídas. Se puede aumentar, momentáneamente, echando arena seca o agua sobre los ,carriles, delante de las ruedas motoras. 'con ayuda de un tornillo sin fin movido a mano o por medio de un chorro de vapor. El esfuerzo máximo útil de una locomotora tendrá, por tanto, corno límite superior, e'l producto del peso de los ejes motores (que se denomina peso adherente) por el coeficiente de rozamiento por rotación. 71.

R.esistencia a la tracc,ión. -

Para los vagones, se emplea co-

rrientemente la fórmula binomia:

en la cual a y b son constantes experimentales; V, está expresado en kilómetros por hora, y R v' en ki1ogramos; la fórmula se refiere siempre a un solo vehículo; los valores de las constantes son, según FRANK}

a=2,5: b = 0,0003 para vagones de viajeros de 30 T. = 0,0004 15 T. = 0,00044 12 T. = 0,00041 ' de mercancías, aproximadamente 50 unidades, cerrados. = 0,00032 para vagones de mer,cancías de íd. íd., abi,ertos, de 15 T. = 0,00053 para íd. íd. íd., mitad abiertos y mitéVd cerrados.

Se emplea también la fórmula trinomia Rv

=

al

+ b1 V + el V2,

que da la resistencia total de los vagones; para trenes de 200 T., aproximadamente, compuestos de coches de 30 T., con carretones y velocidades de 60-120 Km./hora, según BARBfER, al = 1,6; b1 = 0,00416; e = = 0,000456. La resistenci,a de la locomotora viene determinada por la fórmula R[ =a+bV2;

en la cual, a = 2,5 y b = 0,00067. Se emplea también la fórmula trinomia R[ =a+bV+eV2;

en la cual: a= 7,39 a = 5,34 a=4,34 a= 3,93

b = 0,043 b = 0,051 b= 0,036 b = 0,033

e = 0,00053 para locomotoras 0-5-0 1-4-0 e= 0,00055 1-3-0 e= 0,00060 1-3-1 e = 0,00049

117

Para locomotoras eléctricas puede emplearse la fórmula de

ARMS-

'I'RONG:

R¡

=

24 S V2 --+0,01 V+ 0,lJ035 X - - ,

,/Pa

Pa

en la cual, P a es el peso adherente en toneladas; S es el área en m. 2 de la proyección de la locomotora sobre un plano normal a la vía. Todas las fórmulas anteriores determinan el conjunto de las resistencias internas y resistencia del aire. Para el conjunto del tren se utiliza la fórmula

en Ja cual, P!' P t Y P v son respectivamente los pesos de la locomotora, ténder y vagones; R ¡ y J(v los valores determinados anteriormente. El valor de R T es del orden de los 3,5 Kg. por tonelada de tren para velocidades medias. 72. Influencia de las rampas. - Por el mismo razonamiento que se hizo para los vehículos ordinarios, será de tantos kilogramos por tonelada de peso del tren como milésimas por metro tenga la pendiente. La resistenci;¡ total del tren en una rampa, será: R = (R T i) P; para una resistencia media de 3 Kg. por tonelada, valdrá: R = (3 i) p) siendo i la pendiente en milésimas y P el peso adherente; una rampa de 3 milésimas duplicará la resistencia del tren; la multiplicará por 4, una rampa de 9 mm., y por 11, una rampa de 30 mm. Se ve lo interesante que es, para la económica explota,ción de un ferrocarril, reducir al mínimo las rampas. Aun suponiendo queden dentro de límites que hagan posible el tráfico, fácilmente se aprecia puede ser conveniente gastar, en primer establecimiento, la cantidad necesaria para reducir a un mínimo las pendientes, y no tener la carga permanente que representa una explotación costosa. Límites recomendables S011:

+ +

Grandes líneas Líneas secundarias

6m.rn. 9mm.

Se puede llegar, compatible con un buen servicio, a una pendiente de 15 mm., si no existe un tráfico pesado de mercancías. En ferrocarnles de trazado en montañas, se ha llegado al 30, 35, y hasta 43 mm., pero 118

estas rampas excesivas no permiten más que una carga remolcada reducidísima. 73. Pendiente en túnel. - En túnel, la resistencia del aire es mayor, y menor el coeficiente de rozamiento por la humedad del ambiente, que el vapor de la locomotora tiende a aumentar; humedad que, unida al polvo de carbón, actúa como una especie de lubrificante sobre el carril; por ello, si fJ. es el coeficiente de rozamiento a cielo abierto, en túnel será fJ. t = a fJ., siendo a = 0,70, 0,80, 0,90, según las condiciones del túnel, especialmente de ventilación, posición de sus bocas, tipo de tracción, etc. 74. Pendiente en lasl estaciones. - La pendiente en las estaciones no clebe ser superior a la resistencia interna del tren, o sea: i¡

=R¡

I

para pequeñas velocidades, R ¡, hemos visto vale 3 Kg. por tonelada de tren; la pendiente límite no puede, por esta causa, exceder de 0,003 m.; es recomendable no exceda de 0,002 m. Existe la costumbre de admitir en un perfil algunos tramos cortos con pendiente superior a la máxima; tramos que pueden salvarse por la fuerza de inercia del tren; no es recomendable, pues existe siempre el peligro de una avería, que obligue al tren a detenerse en ellos; y si esto sucede, no podrá luego arrancar. 75.

Tramos de pendiente superior a la m.áxima. -

119

CAPÍTULO

V

Secciones transversales.

o 76. Generalidades. - Proyectar con acierto la seCClOn transversal de un camino es problema delicado, al cual debe el ingeniero dedicar la máxima atención. De la sección transversal, depende en proporción importante la capacidad d.e tráfico del camino; y al mismo tiempo, la sección transv·ersal pesa, fundamentalmente, en el coste de construcción de la vía. Por otra parte, para fijar con a:cierto una sección transversal, es imprescindible prever el tráfico futuro del camino; y en esta previsión, no sujeta a la rigidez de una fórmula, es el buen sentido del proyectista el que ha de determinar la solución más conveniente. Visión amplia dd porvenir y, al mismo tiempo, sentido económico, para no hacer irrealizable, o al menos inconveniente desde el punto de vista económico, el proyecto. Para coordinar ambas necesidades, es aquí, tal vez más claramente que en ningún otro problema de ingeniería, donde el proyectista ha de tener como guía el lema de máxima ambición al p1'oyectar, ejecutando de momento sólo aquello que el momento exige, pero haciendo posible para el futuro una ampliación fácil y económica. Que la falta de visión no ·constituya en el porvenir un obstáculo insuperable para la ampliación. Vamos a ver cómo influyen cada uno de los factores que en la fijación del perfil intervienen. Si un camino de dos vías de circulación cuesta, por' m. l., 2 p, con tres vías costará, por lo menos, 3 p; efectivamente, el firme con su cimiento, etc., vendrá si·empre aumentado proporcionaJmente al incremento del ancho; el movimiento de tierras, en cuanto el terreno no sea transversalmente uniforme, aumentará más que proporcionalmente al incremento de ancho de la vía (fig. 59). La repercusión económica del ancho del camino es, pues, muy grande, máxime si tenemos en cuenta que el aumento del ancho ha de hacerse siempre por el total que corresponda a una vía completa. de circulación, ya que, hacerlo con dimensiones menores, nada resuelve en la práctica. 77. El factor económico del coste de la obra. -

120

78. El factor económico de explotación de la vía. - Un camino tiene que servir para un tráfico determinad'o; la máxima capacidad de circulación con un ancho determinado, exige que el tráfico pueda marchar con la mayor velocidad comercial y la máxima seguridad; la velocidad para lograr el mínimo consumo de combustible ha de poderse mantener 10 más uniforme posible. La determinación del ancho preciso por vía de circulación depende de las dimensiones de los vehículos y su velocidad.

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vías ......

3 vías......

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Desmonte = Terraplén =

3,25 m.2 8,80 m. 2

Desmonte = 7,00 m. 2 Terraplén.= 16,00 m.2 1

Aumento proporcuonal ...

1

De ancho .. 50 % " desmonte II5 % "terraplén... 82 %

Figura 59.

Las dimensiones norma:1es de los vehículos son las acotadas en las figuras 60 y 61; la tendencia en la construcción de vehículos de transporte de mercancías, es, aún hoy, a aumentar sus dimensiones. El ancho de una vía de circulación está formado por el ancho del vehículo propiamente dicho, más los anchos a y e de las zonas que quedan hasta el bordillo y b entre las vías de circ-ulación; el ancho del vehículo es una cantidad fija; para cada vía se tomará el ancho del vehículo de mayores dimensiones que ha de circular por ella; los anchos a, b y e dependen de la naturaleza del vehícu'lo y la velocidad de marcha; velocidades altas exigirán mayor dimensión suplementaria. En el gráfico de la figura 62, utilizado para las autoestradas alemanas después de un detenib e predo estudio, puede determinarse el sobreancho total s = a ciso, según las diferentes clases de vehículos y su velocidad, sea en recta o en curva. En el Congreso de Carreteras de Wáshington se fijó el ancho de 3 metros por vía de circulación. En Inglaterra se admite 10 pies (3,05 m.) por cada vía de circulación y 11 pies (3,355 m.) cuando se trata de vías con una elevada proporción de vehiculos de gran ancho; el ancho mínimo total admitido es de 20 pies (6,10 m.), excepto en zonas muy poco pobladas. La Instrucción española, para el cálculo de los anchos de las diferentes categorías de caminos, prescribe las siguientes dimensiones mínimas:

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121

Aulomo'n/ de turismo

/)f¡jmetro del círculo de jira 14,8 n1.

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122

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Una

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/Jos Yies de ciclistas en el mismo sen/ido.. Po; cad" YID más añadir (},.90 m.

Oas ,ia'$ bordllJo. Z x 3:10 = 6:Z0} ?4'Zo

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6x30o=18oo

Figura 91.

na abandonando el cumplimiento de su deber; otras veces, por imprudencia de los conductores. En América del Narte, se han suprimido las barreras en gran número de pasos a nivel;, entonces es preciso avisar al conductor con la anticipación debida de la existencia del cruce y que aquél pueda ver si el tren está o no próximo, para saber si puede 149

o no pasar; el conductor debe tener, desde la carretera, la necesaria visibilidad de la vía. Ello obliga, en muchos casos, a obras más costosas que las de supresión del paso a nivel, especialmente si el terreno es bastante accidentado. Las estadísticas americanas, en exposición permanente de la Central Station, en Nueva York, demuestran la disminución de los acci-

1 Figura 92.

dentes por la supresión de las barreras, proyectados.

SI

los pasos a nivel están bien

El tráfico de tranvías, en el estudio de las vías urbanas, merece especial atención: es causa, por la rigidez de sus movimientos, de un gran entorpecimiento en la circulación; por otra parte, la velocidad comercial de un tranvía, en la zona general de circulación, 89.

Tranvías. -

Figura 93.

es muy lenta. En los caminos en general, el entorpecimiento y peligro que origina la circulación del tranvía, mezclada con el tráfico general, es enorme, máxime si se tiene en cuenta que, en las zonas fuera del casco mismo de la población. el tranvía tiene una sola vía y, por tanto, hay una dirección que va en sentido contrario del tráfico, constituyendo un gran peligro y no menor entorpecimiento para la circulación generaL 150

Por otra parte, y especialmente si no se trata de pavimento de alta resistencia, y, por tanto, elevado coste. la vía del tranvía es enemigo grande de la conservación del firme. Todo ello induce a recomendar, siempre que económicamente sea posible, que se separe el tráfico del tranvía, en general, de la vía. Esta solución tiene indudables ventajas, lo mismo

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Figura 94.

para el tráfico general que para el tranvía, que puede alcanzar velocidades comerciales mucho más elevadas. Desde luego, en caminos importantes no se debe, de ninguna manera, permitir el establcimiento del tranvía dentro de la zona de circulación general. Hoy empiezan a sustituirse los tranvías por trolebuses, vehículos eléctricos que ruedan sobre neumá-

Figura 95.

ticos de aire. tomando la corriente de línea aérea, por medio de un trolley especial; éste permite al vehículo un juego bastante amplio, de cuatro metros, como media, a ambos lados de la línea aérea; tienen, si no la independencia de un vehículo corriente, si la suficiente elasticidad para adaptarse a las necesidades del tráfico; pueden, por ejemplo, marchar por 151

el centro de su vía de circulación y arrimarse a la acera para tomar y dejar a los viajeros; salvar fácilmente, desviándose, los obstáculos que existan en la vía; ventajas todas de importancia grande desde el punto de vista de la circulación, en relación con el tranvía.

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Figura 96.

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Figura 97.

En cuanto a la conservación del firme del camino, la no existencia de vías representa una ventaja: el trolebús no produce en el pavimento efecto mayor que un camión del mismo peso. En las figuras 90 a 97 pueden verse diferentes tipos de secciones transversales, que servirán al lector de orientación para resolver los problemas que corrientemente suelen presentarse.

CAPÍTULO

VI

El trazado. 90. El problema y el criterio. - La elección del trazado de una vía, sea camino ordinario o ferrocarril, es problema delicado y difkil. En toda obra de ingeniería se puede elegir normalmente entre varias soluciones; pero, en el problema del trazado, la indeterminación es, en general, más grande, y en la elección de la solución ha de pesar principalmente el buen criterio de! proyectista; no se pueden dar reglas concretas; únicamente se puede afirmar que e! acierto en la solución escogida es función del exacto conocimiento del terreno a recorrer, único modo de apreciar en su verdadera magnitud los distintos factores que puedan pesar en la elección; el exacto conocimiento del fin que la vía ha de cumplir, permitirá medir el valor de las distintas soluciones en el momento de la elección. En primer término, se han de determinar los puntos del paso forzoso del trazado, que pueden ser pueblos. centros industriales, lugares de turismo, etc., y al hacerlo - y esta es la función más delicada del proyectista, pues se verá coaccionada por los intereses particularesse han de pesar muy cuidadosamente las ventajas que al interés público, a 'cuyo servicio exclusivo ha de estar el ingeniero, reportará el paso del trazado por un punto determinado. Escogidos los puntos fijos, el unirlos representará la necesidad de salvar una serie de obstáculos naturales; por ejemplo: una cadena de montañas o un río; la elección del puerto más conveniente, o del sitio de cruce del río, deberá hacerse con todo cuidado. Si los obstáculos son pequeños, tiene poca importancia económica; pero si se trata, por ejemplo, de un río ele gran caudal y fuertes avenidas, la elección elel punto para establecer el puente puede pesar mucho en el presupuesto total. En la determinación de estos puntos secundarios ha de influir principalmente la razón económica, teniendo en cuenta el conjunto del trazado, pues, en definitiva, puede resultar conveniente construir un puente caro, si en el trazado se obtiene una economía que compense el mayor coste de la obra. Elegidos los puntos secundarios de paso, de manera fija y concreta en unos casos, dentro de

153

una zona, en otros, tiene ya el ingeniero, a grandes rasgos, determinado el trazado, que luego será preú':'

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Fig. 253. - Método belga.

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Fig. 254. - Esquema variación método belga.

370

gran cantidad de madera de entibación y de que el movimiento de materiales es sencillo y siempre descendente. En la figura 253 puede verse un esquema clásico del desarrollo de los trabajos. Este método ha sufrido

Fig. 255, a. - Método belga. Túnel de Mont d'Or.

gran número de variaciones; la más interesante es la de llevar la galería de avance en la parte baja, como puede verse en la figura 254; la figura 255. a, muestra el desarrollo de este procedimiento en el túnel de Mont d'Or; en la figura 255, b, se detalla la aplicación de este método a la excavación del Metropolitano de Madrid por la sociedad Agromán. 7 ----- -r- - ---1-- ---

2: : 2 La característica funda: 1 1 mental de este método consiste en efectuar la excavadón de pequeños espacios, en los males se efectúa rápidamenFigura 256. Métüdo italiano. te el revestimiento; se utiliza principalmente en terrenos que, recién excavados, tienen cohesión, pero que, en contacto con los agentes atmosféricos, la pierden o se hinchan, dando lugar a empujes excepcionales. La forma normal de desarrollar los trabajos es la il'ldicada en el esquema de la figura 256; en casos de empujes excep-

229.

Método italiano. -

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3. Construcción de la bóveda.

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Fig. 255, b. -

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4. Destroza y construcción de los estribos. Esquema del desarrollo de los trabajos del Metropolitano de Madrid. (Atentamente proporcionado por la Empresa Agromán.)

cionales, puede alterarse el Ol-den de las dos primeras excavaciones; es decir, realizar las galerías 2, apoyando la entibación sobre el núcleo 1; construídos los estribos, se excava 1, y después, 3, para ejecutar la contrabóveda; en algunos casos, la excavación se empieza por la parte superior (fig. 257); el procedimiento, en este caso, es muy similar al método belga. Cuando el terreno ongma empujes excepcionales, la zona reves-

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r Fig. 258. - Rellenos provisiona!les en el! método italiano.

tida se va rellenando, en parte, de fábrica en seco o rejuntada con mortero de ,cal, para reducir al mínimo las escuadrías de la entibación, que de no ser así, deberían tener dimensiones excesivas y antieconómicas; se da, además, la suficiente resistencia al apoyo de la entibación de zonas difíciles (fig. 258). La fábrica provisional se va destruyendo, a medida que queda completamente rev,estida la sección. 230. Método austríaco. - La galería de avance va situada en la parte inferior de la sección; el trabajo puede desarrollarse en las dos formas que se indican en la figura 259, a; el nuevo método austríaco es

(a)

Fig. 259. - Método aJUstriaoo.

374

(b)

consecuencia de los anteriores (fig. 259, b); los esquemas no precisan explicación. 231.

Construcción de un túnel metropolitano a cielo abierto. _

Es muy acertada la forma de llevar a cabo la excavación de un túnel a cielo abierto, empleada en el Metropolitano de Madrid (fig. 260); el te-

(Atentamente proporclOnado por la Empresa Agromán.)

Fig.

260. -

Excavaoión a ciclo abierto del Metropolitano de Madrid.

rreno mismo sirve de encofrado para la construcción de la bóveda, con gran economía en el coste de la obra. En un terreno incoherente, la excavación ha de estar sin revestir el menor tiempo posible. pues la exposición del terreno excavado, a los agentes atmosféricos, aumenta en gran proporción los empujes. Cuanto más incoherente sea el terreno, más necesario es que la excavación vaya inmediatamente seguida del revestimiento. Por otra parte, cuando los empujes son grandes, la excavación total de la sección, exigirá una entibación 'carísima; 1)()r ello, conviene excavar por partes, aprovechando el terreno mismo para sostener la entibación. La elección de uno u otro de los sistemas expuestos, depende, por tanto, de la naturaleza y características del terreno a excavar. 232.

Resumen y criterio. -

375

Cuando sea posible, no conviene, para una buena estabilidad del revestimiento, construir éste empezando por la bóveda,. como se hace en el método belga, por ejemplo, sino, al contrario, empezar por los estribos y terminar por la bóveda. Cuando se construya primero la bóveda habrá que adoptar las máximas precauciones, para evitar asientos. Los métodos expuestos no son inalterables; pueden modificarse y se modifican constantemente en la práctica, para resolver los problemas expuestos de :Ia manera más adecuada a cada caso particular. 233. Métodos extraordinarios de excavación. - En terrenos muy incoherentes, y cuando existen grandes filtraciones - túneles debajo del agua - es imposible efectuar la excavación por los métodos expuestos,

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Esquema del trabajo con escudo.

siendo necesario recurrIr a procedimientos especiales. Son los más corrientes: 1.0 El método del escudo, con o sin aire comprimido. 2.° Construcción de la sección fuera del terreno y su colocación por trozos, en excavación previamente preparada; este sistema se emplea especialmente para túneles debajo del agua. 3." Método de congelación del terreno o consolidación por medio de inyecciones de cemento. 4.° C:onstrucción a cielo abierto. 234. Procedimiento del escudo. - La excavación de terrenos muy sueltos, especialmente cuando tienen gran cantidad de agua, precisa vaya la entibación inmediatamente después de la excavación. y aquélla, por otra parte, habrá de ser impermeable, para evitar la filtración del agua y, como consecuencia, el arrastre del terreno, dando lugar a socavones y desprendimientos, causa de cargas accidentales extraordinarias; realizar

376

el trabajo con estas garantías no es posible con los medios corrientes de entibación; no se puede entibar en el momento mismo en que se realiza la excavación, ni pretender que las juntas entre las tablas sean impermeables. Por ello, se recurre a construir un encofrado metálico continuo e impermeable por tanto, que, por medio de unos cuchillos, A (fig. 261;. avanza en el terreno, empujado por unos gatos o pistones hidl'áulicos, que se apoyan en la fábrica ya construída. El escudo avanza en el terr'eno; los cuchillos se van hincando dentro de él, revistiendo el perfil antes de que la tierra se ex'Cave; esta primera zona va separada, por un tabique metálico vertical, del resto del escudo; el tabique tiene una entrada a la zona de excavación, por la cual se va sacando el material excavado; inmediatamente desp.ués del tabique de separación vertical, queda una zona de trabajo en la cual se efectúan las

-rqv Figura

262.

maniobras precisas para el avance del aparato, extracción y carga de los materiales; por último, queda una tercera zona, en la cual no existe más que el revestimiento de la zona excavada y los gatos o pistones hidráulicos, que sirven para hacer avanzar el conjunto del dispositivo; los gatos se apoyan sobre el revestimiento ya construído. La parte del escudo sujeta a trabajo más intenso, es la cuchilla de corte; tiene que estar construída con la mayor: solidez y debe poderse cambiar con facili·dad; se emplea la disposición de la figura 262; la parte de cort¡e, que se construye de acero, va aplicél!da a la armazón del escudo simplemente por unos tárnillos, que permiten cambiarla fácilmente· La armadura del escudo debe estar proyectada en forma tal, que resista a los esfuerzos a que ha de soportar; será más reforzada a medida que los diámetros sean más grandes; cuando los diámetros son mayores de 3 metros, se recurre a dividir el escudo por tabiques horizontales y verticales. Las dimensiones de los escudos hasta ahora construídos varían entre 2,10 y 9,30 m., y sus longitudes, de 1,90. a 6 m.; su superficie de rozamiento es, por tanto, de 12,50 a 1:75 m. 2 . La potencia precisa para mover el escudo depende del coeficiente de rozamiento entre éste y el terreno: pue377

de considerarse que es, aproximadamente, de 400 toneladas por metro de diámetro del escudo. Para disminuir el esfuerzo máximo preciso para mover el escudo, se puede recurrir a llevar, por delante, una pequeña galería de avance (figura 263), con lo cual la resistencia que el escudo encuentra. es mucho menor; claro está que el trabajo se complica, pues no es sencilla la cons-

,. b.

d.

Figura 263.

¡'ruoción de la galería de avance, en un terreno de malas condiciones. Según Der Tunnel) la potencia que se necesita es la siguiente: .

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-. Diámetro del escudo,

Longitud del escudo.

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-

Metros.

2,1-3,3 3,3-6,6 6,0-9,3

I

1,9-2,3 2,0-4,6 5,5-6,0

Toneladas.

Con galería de avance. Toneladas.

40-60 60-100 100-140

10-15 15-20 30-40

Avance a sección completa. -

Metros.

I

Esfuerzo_en una sola prensa.

I

El escudo, generalmente, se construye de forma circular, aunque se han construído también alguna 'vez escudos de forma elíptica. 235. Empleo del aire comprimido. - Cuando es preciso excavar un túnel en un terreno con gran cantidad de filtraciones - especialmente los túneles que pasan por debajo del agua - la excavación presenta dificultades importantes, pues hay que evitar filtraciones a través del encofrado, que son causa de desprendimi,entos, origen de cargas accidentales importantes. El empleo del aire comprimido - elevar la presión en la excavación - equilibrará la presión producida por el agua, evitando las filtraciones y reduciendo la carga sobre la entibación; se puede trabajar prác-

378

ticamente en seco, con indudables ventajas, no sólo para la excavación, sino también en la ejecución de la fábrica de revestimiento. Et' aire comprimido puede usarse utilizando el procedimiento del escudo, o sin él; sin escudo se ha empleado, entre otros, en los túneles de Gattico, en Italia; Emmersberg, en Suiza, y Eastriew, en la traída de aguas de Nueva York. En líneas generales, toda instalación de aire comprimido tiene que constar de un tabique de cierre que aisla el tramo de trabajo del túnel ya construído ; este tabique debe ser impermeable al aire, para que pueda servir de separación entre la zona de presión atmosférica y la de alta presión; la entrada y salida a :la cámara de trabajo, del personal y materia-

Fig. 264.- Esquema

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la excavación cun aire CQll11J[)r,imído.

les, debe hacerse a través de cámaras ,de equilibrio, que permitan el tránsito paulatino entre las dos presiones; en la figura 264 se representa un esquema de instalación de este tipo. El tabique, cuando no se emplea escudo, puede construirse de fábrica, y las cámaras de entrada y salida, metálicas; en el caso de que el aire comprimido se emplee con escudo, el tabique de separación, así como las cámaras de equilibrio, van montadas en aquél. En el caso de que el tabique de separación sea de fábrica, habrá que reconstruirlo cada vez que la cámara de trabajo sea excesivamente grande. En Ja figura 265 puede verse la disposición general de una instalación de aire comprimido, sin escudo; la cámara de servicio superior es para el personal, y la inferior, para la entrada de materiales y extracción de productos de la excavación. Un ejemplo interesante del empleo del aire comprimido, no para excavación, sino para la construcción de un túnel por hinca de secciones previamente construídas es el túnel de Gattico; este túnel, situado en Italia, cerca de Borgomanero, tiene una longitud de 3.160 m.; en toda su construcci"Ón se tropezó con dificultades de importancia, pero es379

pecialmente en los 500 m., a par,tir de la boca de la parte Sur, la presencia de un terreno de arena suelta, con gran cantidad ele agua, hizo prácticamente imposible su construcción por los medios corrientes y hubo que recurrir al siguiente procedimiento: se excavó la superficie del terreno hasta una cierta profundidad, según puede verse en las figuras 266-267,

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Fig. 265· - Detalle de muro divisorio en

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trabajo con aire COiI11primido.

construyéndose el túnel a base de la hinca de 11 cajones de 17 m. de longitud y 6,75. m. de ancho; la hinca se hizo por el procedimiento corriente de aire comprimido, construyéndose la fábrica del túnel a medida que el cajón iba descendiendo. Se hincaron por este procedimiento los cajones 1 y 2, pero como el sistema resultaba muy lento y costoso, se decidió emplear directamente el aire comprimido; en esta forma se construyó una longitud de 55,80 metros, pero el método resultó más costoso y lento que el de cajones, al cual se volvió, hasta terminar una longitud total de 341,70 m. a partir del origen del primer cajón.

380

TUNEL DE GATTlCO

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Longitud del túnel CQn d¡r~ comprimido .]4.170 mi.!'.

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Figura 266.

d Figura 267.

381

236. Sistemas de consolidación del terreno. - Desde hace muchos años se ha tenido la idea de consolidar el terreno por congelación, antes de proceder a la excavación; por primera vez se empleó este sistema en 1884, en Estocolmo, para construir un pequeño túnel para peatones a través de un terreno flúido de arcilla y arena; la congelación se obtenía llenando, por la noche, el espacio a excavar al día siguiente con aire a-52°; el método resultó lentísimo y muy caro. En París se empleó también sin resultado, para el túnel de paso bajo el Sena, de la línea IV del Metropolitano. En el Metropolitano de Moscú también se ha utilizado, para la construcción de los pozos Figura 268. de bajada, que tenían que atravesar capas poco coherentes con gran cantidad de agua. úl timamente se ha realizado la consolidación por congelación, em~pleando líquidos que al vaporizarse producen una baja temperatura, anhídrido sulfuroso, amoníaco, etc.; el sistema tiene un grave inconveniente para emplearlo en excavación de túneles: los gases, muy venenosos, hacen imposible la permanencia del personal, durante bastant·e tiempo, en la zona tratada; por ello se emplea este sistema, preferentemente, para la excavación a cielo abierto. 237. Excavación en trincheras a cielo abierto. - Cuando conviene construir el túnel a cielo abierto y en terreno que contenga gran cantidad de agua, se recurre a rebajar la capa acuosa, utilizando tubos perforados que se colocan a 10 largo de la excavación y, por los cuales, se extrae el agua con bombas (fig. 268). Este procedimiento se lta empleado --

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Fig. 269. - Cruce del Metropolitano de Berlín, bajo el Spree.

382

en la construcción del Metropolitano de Berlín, e-n las proximidades de Spree, y para atravesar este río, con la disposición de la figtira 269. 238'. Procedimientos especiales para la construcción de túne= les bajo el agua. - Puede emplearse el procedimiento de construir fuera

la estructura del túnel, en tramos de la conveniente longitud, que luego se hincan en el terreno, empleando aire comprimido; así se ha h~cho, por ejemplo, para atravesar el Sena con la línea IV del Metropolitano de París (fig. 270). Cada elemento llevaba sus paredes extremas cerradas por muros de 1,75 m.; asentado un elemento sobre el fondo del río, se

Fig.

270. -

Construcción del paso bajo el Sena (París).

hacía descender lentamente, por el procedimiento corriente de hinca de cajones de aire comprimido; las juntas entre elementos se realizaron también con el auxilio del aire comprimido, en la forma que puede verse en la figura 271; los cajone~ tenían una longitud variable de 20 a 43 m. Ejemplos de construcciones .similares son varios túneles, entre ellos, los más notables, el que une a Oakland y Alameda, bajo el estuario que existe entre ambas, yel túnel de doble vía bq.jo el río Detroit, entre Windsor y Detroit, y bajo el Sena en París. En todos, la estructura del túnel fué construída fuera, y llevada, flotando, ha'sta su sitio de colocaóón (fig. 272); éste había sido previamente preparado, realizando la excavación de una zanja, a cuyo fondo se le dió la resistencia precisa mediante pilotes, y una solera de hormigón armado (túnel bajo el Sena) (fig. 273), o bien con pilotes, hormigón y lecho de arena (túnel de Oakland) (figura 274). 383

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Fig.

271. -

Unión de dos cajones. Paso bajo el

S~na

(París).

239. Coste de túneles. - Un túnel, cuando tiene longitud importante, es obra en la cual los imprevistos pueden hacer variar mucho su valor final: porque se altere el de ejecución material de la obra en sí y porque se alargue el plazo de ejecución calculado. La naturaleza del terreno, en túneles de longitud considerable, es muy difícil de prever; el informe geológico no puede ser nunca lo suficientemente riguroso para que sea posible presupuestar, a priori exactamente, las dificultades que se encontrarán en la construcción; la naturaleza del terreno, en muchos casos,

F,ig.

272. -

Túnel de Oakland: trasporte de 'I·a sección.

y la presencia de {:audales importantes de agua, pueden aumentar considerablemente el importe definitivo. Una obra no debe contratarse a base de que el adjudicatario corra con todos los riesgos imprevistos; porque el contrato es de prestación de un servicio, que debe pagarse a su justo precio; y si éste no se abona, el constructor deberá cubrir el riesgo, con un margen grande, la mayoría de las veces exagerado. Para evitar estos inconvenientes en los presupuestos de túneles, se debe calcular la obra en condiciones normales y {:argar al importe total un tanto por ciento que cubra :las eventuales dificultades que se puedan presentar. Normalmente, en un túnel de longitud no mayor de 2 Km., en terreno conocido, donde la construcción sea fácil, los imprevistos pueden valorarse en un 10 a un 15 por 100 del presupuesto de ejecución materi.al; en túne-

385 25

Flg, 273. - Túnel bajo el Sena (París) .

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rondo del lecho de rOCél

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Fig. 274. - Túnel· de Oakland.

386

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les de gran longitud, aun en condiciones normales, la partida de imprevistos suele ascender, como mínimo, al 25 por 100. La valoración dd precio unitario de la excavación dependerá, no solamente de la naturaleza del terreno en sí, sino de las dimensiones de la obra; por ejemplo, si el terreno es roca compacta, el precio unitario del metro cúbico de excava:ción será mayor, en el cas'O de que se trate de una galería de pequeña sección, que cuando se trate de una galería de sección grande. En cambio, si se trata de terreno incoherente, que produzca grandes empujes, el preciounitari'o del metro cúbico de excavación s·erá mayor para la sección grande que para la pequeña. Generalmente, para tener en cnenta el aumento de la mano de obra de excavación, el incremento de longitud de transporte y su precio unitario, se establecen di ferentes precios, según las distancias a la boca del túnel, Ü' punto de ataque que se utilice, para la extracción de escombros. En el cálculo dd precio unitario del metro cúbico de excavación, deberá tenerse en cuenta, sin abono suplementarí'o, la presencia de una cantidad determinada de agua; por ejemplo, se puede considerar que la excavación es normal, mientras el caudal de agua no sea superior a 2 litros por segundo; si el Gaudal excede de 2 litros, sin llegar, por ejemplo, a 10 litros por segundo, se debe prever un aumento de precio, en el calculado para la excavación; si excedrese de 10 litros, sin llegar a 100, se deberá prevet un nuevo aumento; para grandes cantidades de agua, superiores a la cifra indicada, debe estipularse la realización de la obra por administración. Aunque raramente se presentan fenómenos de manantié1les termales o gases nocivos que hagan el trabajo mucho más difícil que lo previsto, se debe prever en el pliego de condiciones y pre-· supuesto la indemnización o forma de abonar los perjuicios que por esta' causa se originen. En resumen: el ingeniero debe estudiar un p!'é:cio de excavación en condiciones normales, con los márgenes de imprevistos antes indicados y estipular la forma y cuantía de abonar . los imprevistos excepcionales, seguro de que, el disminuir los tiesgos de la contrata, no sólo es justo, sino la mayocia de las veces oconóm;co. Para formular los precios de las distintas unidades de obra, habrá que determinar: 1.0 Precio de los materiales y mano de obra empleados; para ello, s·e tendrá en cuenta: a) Los precios de los materiales en la boca de! túnel. b) Su transporte al punto de trabaj'O. e) Las horas empleadas en la excavación por las distintas categorías de trabajadores. d) El consumo, en su caso, de explosivos, mecha y detonadores. 387

e) El material empleado en -la entibación, teniendo en cuenta el número de veces que sea posible utilizarlo y su v:.alor residuo. 2.° Coste de las instalaciones: a) De excavación, compresores, tuberías, martillos, etc. b) De los medios de transporte: vía, vagonetas, etc. e) De las instalaciones auxiliares que fueran precisas; ventilación, iluminación, campamentos, etc. En esta partida se tendrán en cuenta los gastos de transporte hasta obra de los medios a .emplear, su montaje y desmontaje, así como los de reparación, sostenimiento y amortización correspondiente ele las instalaciones. 3.° Los gastos generales de -la obra, dirección, oficinas centrales, etc. La partida 3.", y en menor proporción la 2.", se ven afectadas por la duración de la obra; en condiciones normales, puede considerarse para túnel de vía sencilla como avance medio diario, en veinticuatro horas: Roca blanda (margas) . . de dureza media (calizas y dolomias). Rocas duras (areniscas) .. " durísimas (gneis o granito) Terrenos incoherentes secos. Terrenos flúidos ·con grandes empujes

9 7 6 4 3 2

m.

" " " " a 0,50 m.

Estudiando cuidadosamente las características técnicas de la obra. se deberá formular con todo detalle un plan de trabajo, que dará unas necesidades ,de maquinaria y material auxiliar, del cual se deduce la partida de amortización correspondiente y los precios unitarios de excavación y revestimiento, que permitirán formular el presupuesto de ejecución material. A la ci fra qu-e resulte deberián añadirse los tantos por ciento de ~mprevistos antes fijados y los normales en todo proyecto.

ÍN DICE DE MATERIAS TüHü 1 Páginas.

PRÓLOGO

v

.

GENERALIDADES 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Importancia de las vías de comunicación. Historia del camil1lo primitivo... Las carreteras griegas..... Las üarreteras romanas. Los caminos en la Edad Media Los caminos en la Edad Moderna.. Coordinación del ferrocarril y la carretera... Posibilidaeles ante el futuro. Definiciones.. Plan ele la obra....

PARTE

1 1 1

3

5 5 8 9 10 14

PRIMERA

Trazado de caminos. CAPÍ"l'ULO

11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. CAPÍ'l'ULo

1. - Consid'er1adones gene,rale,s... Red de 'camino,s.... Consideraciones fundamentaIes pa:ra el trazado de un ca.mlno Zona ele influencia de un camino.... Zona de influencia de un ,centro comercial. Estudio ,económico de una línea ferroviaria.... Gastos de establecimienDO!..... Gastos ele explotación..... Producto bruto. Consideraciones estratégicas.... II. - Los usuarios del camino

20. Vel{ículos:de tracción animal.... 21. Vehículos de traoción mecánica

17 17 18 20 22 23 23 24 25 25 26 26 29

389

Páginas.

22. 23. 24. 25. 26. 27. 28.

29. 30. 31. 32. 33. 34.

35. 36. 37.

38.

El movimiento de los vehículos. Adherencia y nozamiento .. Resistencia a la rodadura..... Otras resisteilcias al movimiento . AUI11ento de resistencia en curva . Resistencia al movitniento en Jas rampas .. Resistencia del aire ... Resistei1cia total del movimiento .... Material ferroviaril()· .. El movimiento. Rueda motriz. Ecua'ciones del -mov"imiento.. Esfuerzo motor. Tracción animal.. Motores de combustión intcrna. La acción de los vehículJo!S sobre 01 camino. Carga estática. Diferentes clases de llantas Esfuerzos dinámicos. Esfuerzos tangenciales... Otros efectos del vehículo sobr.e el firme. Succión...

CAPÍ'!'ULO

39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46.

47.

48. 49. 50. 51. 52. 53. 5-1-. - 55. 56. 57. 58. 59.

IU. - El trazado en planta.... Alteraciones en la mar·cha y peligros de las curvas Proyecto de una 'curva. Velocidad específica.. Peligro de estabiliebd. Peralte. Pelig110l de deslizamiento. Peligro de vuelco. Curvas de transición. Clotoide... .... Lemniscata.... Parábola cúbica Fórmulas corrientes. Fórmulas comunes para pequeños ángulos . .. ... ... Curva de transición preferihle. . Cálculo de los elementos de la curva de transición. Curva de transición .circular. Visibilidtancia media de trapspolrte ·por vía horizontal y conv·ergente. 140. Transporte verticaL.. 141. Transporte por vía inclinada..... 142. Rend~miento e los diferentes medios de transporte. 143. Volumen de tierras a transportar. Entumecimiento. 144. Coste total del transporte... 145. Transporte oo!n vagonetas... 146. Gastos sociales y generales.

392

172 172 1;4 175 176 li7 -178 179 179 181

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187 188 190 190 194 195 196 196 J97 198 200· 202 202 203 205 205 207 208 208 208 209 211 211 211 213

Páginas. CAPÍTULO

147. 148. 149. 150. 151. 152. 153. 154. 155. 156.

X. - Estudio de,1 movimiento y compensaclon de tierras.... Compensación longitudinal. Utilización del perfil de las áreas Método de BRUCKNER... Correcciones de la línea de volúmenes.. Propieda,des de la línea de volúmenes.,. Determinación gráfica de la distancia media de transporte. Línea horizlontal según la cual el coste de la distribución es mÍnnno oo. .. Casos particulares. Perfiles no compensados. Líneas secundarias de compensación.. Influencia de la pendiente del camino.. Préstamos y caballeros. Método de compensación del formularÍJo español para la redacción en ¡'os proyectos de carreteras....

215 215 216 217 218 220 221 223 225 225 226

PARTE SEGUNDA Construcción de la explanación. CAPÍTULO

157. 158. 159. 160. 161. 162. 163. 164. 165. 166. 1.67. 168. 169. 170. 171. 172. 1-73. 174. 175. 176. 177. 178. 179. 180.

XI. -Construcción de la explanación. Excavación a mano. Excavación con palas neumáticas. Excavadoras mecánicas .. Excavación en roca con explosivos. Perfmación mecánica!.. . Perforadoras neumáticas.. El empleo de explosivos ... Pólvora negra y explosivos similares Productos de explosión rápida. Polvorines... .. Potencia de ~o's explosivos.. ... Mecha y detonadores. Efecto de la explosión. Disposición de los barrenos Organización de los trabajos de desmonte. Ataque frontal o en cuneta. .. Ataque lateral por capas sucesivas... Ejecución de los terraplenes. Los distintos materiales para la formación de terraplenes. Sus ,propiedades fundamentales ... ... ... ... Capacidad de duración. Clases de terrenos pr·eferiJbles para la formación de .terraplenes.· Roca ... oo. Suelos granulares. ... ... ... ... ... Aluviones compuestos de arena fina y materia orgánica. Aroilla.... .... 000

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231 232 232 234 236 238 239 244 245 245 246 247 247 248 251 256 258 259 261 271 272 272 272 273 273

393

Páginas.

181. Maquin~ria es'pecial para la nivelación de tierras ydonsoJidación de terraplenes... ---182. Causas corrientes de destrucción o averías en ,los terraplenes. 183. Drenaje de terraplenes. 184. Defensa de los desmontes o terraplenes ·contra la erosión. 185. Obras a-ccesorias. Taj eas. Muros de sostenimiento. 186. Grandes obras de fábrica.

274 278 279 281 282 283

PARTE TERCERA Túneles.

XII. - Túneles. Condióol1Cs del trazado en planta Trazado en perfil. Dimensiones dcl perfil transversal del ·túnel.. CáJculo de las dimensiones del revestimiento. Empuje del terrcno Terrenos homogéneos y coherentes .. Causas de alteración de los esfuerzos normalcs. El agua en la excavación de túneles... La temperatura en la excavación.. Estudio geológico. Fábrica del revestimiento ... Revestimientos metálicos. Hormigón armado. Pozos . Es,taciones subterráneas. Defensa y evacuaóón del a:gua de filtraciones .. Refugi1o'S. Depósitos Bocas de acceso. Ventilación . Ventilación con pozos... Venti,lación con inyector de aire, sistema SACCARDO .. Ventilación -de túncles para caminos ordinarios. Ventilación durante la construcción... Sistemas de ventila,ción ,durante la construcción. Ventilación natura
por poz1o's. 210. Ventilación artificial 211. Acondicionamiento de temperatura.

c.",PÍ'l'ULO

187. 188. 189. 190. 191. 192. 193. 194. 195. 196. 197. 198. 199. 200. 201. 202. 203. 20·t 205. 206. 207. 208. 209.

CAPÍTULO

212. 213. 214. 215.

394

XIII. - Construcción de túneles. Replanteo del eje interior del túnel. Principales problemas ,de construcción .. Sistema de excavación.. Terrenos consistentes...

287 290 290 293 299 302 304 309 309 310 310 312 314 315 316 316 318 318 319 327 328 330 331 332 333 335 338 341 343 346 3-l6

Páginas.

216. 217. 218. 219. 220. 221. 222. 223. 224. 225. 226. 227. 228. 229. 230. 231. 232.

233. 234.

235. 236. 237.

238. 239.

Entibación. '" ...... __ . Enti,bación.de la galería de arvance . Armadura de la sección total del túnel. Entibación de pozos. Flolrma de ,efectuar la ex,oavaóón. Disposición de Jos .barrenos.... El problema del transport,e en la ,construcción de túneLes.. Medios mecánicos de .carga Transporte vertical Métodos de excavaóón en terrenos no .coherentes.. Método alemán... Método ing,lés . Método belga .. Método italiano. Método austriaco. Construcción ,de un túnel metropoEtano a óelo abiertro.. Resumen y criterio.. Métodos extraordinarios de excavación... Procedimiento deles,cudo ... Empleo dela,ire