Caracteristicas Del Equipo Rodante

RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA

SECCION 2 CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO RODANTE

Santiago de Chile, 2003

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CONTENIDO SECCIÓN 2 CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO RODANTE 2.1 Conceptos Generales 2.2 Definición de Parámetros Básicos 2.3 Gálibo 2.3.1 General 2.3.2 Gálibo en Recta 2.3.3 Gálibo en Curvas 2.3.4 Conicidad de la Superficie de Rodado de Llantas o Ruedas 2.4 Peso de los Equipos Rodantes 2.4.1 General 2.4.2 Influencia del Peso en la Sección de los Rieles 2.4.3 Dotación de Durmientes 2.4.4 Calidad de la Subestructura de la Vía 2.4.5 Puentes y Obras de Arte 2.5 Potencia 2.5.1 Resistencia al Rodado 2.5.2 Capacidad de Tracción de los Equipos 2.6 Velocidad de Circulación 2.6.1 General 2.6.2 Curvas 2.6.3 Entrevías 2.6.4 Tolerancias en la Geometría de la Vía 2.6.5 Calidad de la Subestructura de la Vía 2.6.6 Calidad de la Superestructura de la Vía 2.6.7 Puentes y Obras de Arte 2.7 Características del Rodado 2.7.1 General 2.7.2 Solicitaciones de la Vía Sobre el Equipo Rodante 2.7.3 Solicitaciones del Equipo Rodante Sobre la Vía 2.7.4 Circulación de los Vehículos en las Curvas 2.8 Sistemas de Alimentación Eléctrica de Tracción 2.8.1 General 2.8.2 Características de los Equipos Rodantes 2.9 Otros Parámetros 2.9.1 Altura del Piso 2.9.2 Desplazamiento de Enganches 2.10 Parámetros Usuales del Equipo 2.11 Normas Pertinentes, Obligatorias y Recomendables 2.11.1 Normas Obligatorias 2.11.2 Normas Recomendables 2.12 Bibliografía

2-1 2-1 2-1 2-2 2-2 2-2 2-5 2-8 2-9 2-9 2-10 2-13 2-13 2-13 2-14 2-15 2-16 2-20 2-20 2-21 2-23 2-23 2-23 2-23 2-24 2-24 2-24 2-25 2-26 2-29 2-33 2-33 2-34 2-36 2-36 2-37 2-39 2-42 2-42 2-42 2-43

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SECCIÓN 2 2.1

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2-1

CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO RODANTE

Conceptos Generales Las características técnicas del equipo rodante ferroviario y de la infraestructura están estrechamente relacionadas, ya que el desplazamiento de los vehículos en forma segura, rápida y estable depende de factores tanto de los equipos como de la infraestructura, que se retroalimentan. Sus respectivos sistemas y componentes deben ser estudiados para minimizar los roces, choques y percusiones entre el equipo rodante y la vía, y para reducir la amplitud y frecuencia de las oscilaciones producidas por el desplazamiento de los vehículos. La elección de las diferentes clases y tipos de material rodante que requiere la naturaleza del proyecto debería considerar en sus requisitos básicos los siguientes factores: (a) La clase y tipo de vehículo en función de su objetivo inmediato dentro del proyecto, definiendo parámetros tales como modo de tracción, trocha, capacidad, velocidad de operación, etc. (b) La interrelación del vehículo con los otros subsistemas de la red ferroviaria a la que se va a incorporar, ya sea nueva, rehabilitada o existente, estableciendo su relación con la superestructura de la vía, la alimentación eléctrica, las señales y comunicaciones y las modalidades de la operación ferroviaria. (c) La evolución esperada en la tecnología ferroviaria en el ámbito espacial y temporal del proyecto, para evitar la obsolescencia prematura de los equipos. (d) La relación del proyecto con los sistemas ferroviarios conectados o afines y las características actuales y previstas a futuro de éstos.

2.2

Definición de Parámetros Básicos Las dimensiones de los equipos ferroviarios son muy variadas y dependen de factores históricos, además de los factores técnicos. Por razones de estabilidad, los equipos que circulan por vías de trocha angosta suelen ser de tamaños y pesos menores, pero aún en sistemas de la misma trocha hay una amplia variedad de dimensiones tanto en el equipo de pasajeros como en el de carga. En las redes de gran extensión, donde hay sectores construidos en diferentes épocas y con distintos criterios técnicos, existen limitaciones de circulación para determinados equipos que exceden la capacidad de la infraestructura y su gálibo en ciertos tramos. Independientemente de los avances tecnológicos, la tendencia de las locomotoras y carros de carga ha sido la de aumentar sus dimensiones para incrementar su capacidad y por lo tanto su eficiencia. Esto se manifiesta especialmente en el tamaño y la capacidad de los carros de carga, que ha venido creciendo progresivamente, especialmente en Norteamérica, al igual que la de las locomotoras.

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2-2

Las características principales de los equipos rodantes que inciden en el diseño de la infraestructura son: (a) Gálibo, o sección transversal, que determina el contorno de las obras de arte, entrevías y elementos accesorios de la vía, tales como instalaciones de electrificación y señalización. (b) Peso, que determina la sección de los rieles y el dimensionamiento de puentes y otras obras de arte. (c) Potencia, que determina las gradientes máximas en que podrán operar los vehículos en condiciones de eficiencia razonable, así como algunas características geométricas de la vía. (d) Velocidad de circulación, que determina la morfología de las curvas. (e) Características del rodado, que determina elementos como la forma del perfil de los rieles, el tipo de sujeciones y otros factores. (f) Sistema de alimentación eléctrica de tracción, que determina el diseño de catenarias y subestaciones eléctricas. 2.3

Gálibo

2.3.1

General El equipo rodante debe poder circular sin obstrucciones por la totalidad de la vía férrea y sus obras de arte. En consecuencia, los diseñadores de la infraestructura de la vía deberán tener presente el gálibo de los equipos que se desea transiten por ella, y los diseñadores de los equipos rodantes deberán atenerse al cumplimiento de este gálibo para lo cual deben considerar la interacción de las siguientes características de la vía y del vehículo: • • • • • •

2.3.2

Dimensiones del vehículo: ancho, altura y longitud Posición de los centros de boguies cuando los hay, o de la base rígida para los vehículos de dos ejes Velocidad de marcha Características de las curvas de la vía, en especial las ubicadas en obras de arte Características de la suspensión del vehículo Parámetros de comodidad de marcha definidos al vehículo

Gálibo en Recta Una de las características de mayor importancia en la comodidad de marcha de los equipos ferroviarios es la minimización de las aceleraciones indeseadas, longitudinales, transversales y verticales. Cuando la suspensión de los equipos se encuentra en buen estado y la vía está correctamente alineada y nivelada, estas aceleraciones son mínimas y la marcha es uniforme y segura. Esta característica no sólo es importante en los trenes de pasajeros, sino también en los de carga.

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2-3

Las aceleraciones indeseadas tienen generalmente un comportamiento de tipo oscilatorio y se pueden clasificar como sigue: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Movimientos de traslación según un eje vertical o trepidación Movimiento de giro alrededor de un eje transversal o cabeceo o galope Movimiento de giro alrededor de un eje longitudinal o balanceo Movimiento de giro alrededor de un eje vertical o serpenteo (lacet) Movimiento de traslación según el eje longitudinal o vaivén Movimiento de traslación en dirección de un eje transversal o choque lateral

Los tres primeros movimientos son característicos de la masa suspendida, y se originan en la unión flexible entre la caja y los ejes, mientras que los restantes afectan al conjunto del vehículo. En especial, los movimientos laterales (3, 4, 6) hacen que los vehículos en movimiento excedan las dimensiones correspondientes al vehículo en reposo y la magnitud de estos desplazamientos depende de cuatro factores: (a) el juego u holgura normal entre la parada de ruedas y los rieles (b) las tolerancias dimensionales de la vía en alineación, trocha y desgaste de los rieles (c) las tolerancias del rodado de los vehículos en desgaste de ruedas y juego lateral de los ejes (d) los desplazamientos permitidos por la amortiguación lateral de los vehículos Como resultado de la consideración de estos factores, se diseña el gálibo, o envolvente máxima del equipo rodante y el correspondiente al gálibo de la vía y obras de arte, entre los cuales debe existir un espacio de seguridad que corresponde al comportamiento cinemático de los vehículos. El estudio del gálibo en recta se traduce en un plano de gálibo que muestra las diversas envolventes de los tramos o sectores considerados, las que sirven de base tanto a los proyectistas de la infraestructura, como a los del equipo. En general, cada administración desarrolla sus propios planos de gálibo, los que pueden variar en el tiempo como resultado del aumento progresivo de las exigencias del equipo y la correspondiente adaptación de la infraestructura. En el Gráfico 2-1 se muestra el gálibo normal en recta de la vía de trocha ancha (1.676 mm) de EFE.

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GRÁFICO 2-1 GÁLIBO NORMAL EN VIA RECTA TROCHA 1.676 mm

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2-5

Para evitar accidentes debido a un eventual enredo de algún elemento del equipo rodante en los rieles de enlace, cruzamientos y agujas de las zonas de cambios, se debe disponer una norma de seguridad que fije la altura mínima que deben tener todos los elementos ubicados debajo del chasis y del boguie, entre las ruedas de los vehículos. En los ferrocarriles chilenos se ha fijado esta altura en 160 mm sobre la cabeza del riel para el equipo cuando está con sus llantas nuevas y la suspensión en buen estado. Cuando los resortes se encuentran completamente comprimidos (a sólido), las llantas en su límite de desgaste aceptable (límite de condenación) y una vez considerados todos los desgastes posibles, la holgura mínima es 75 mm. 2.3.3

Gálibo en Curvas

2.3.3.1 Desplazamiento Geométrico Al ingresar los vehículos en una curva, se produce un desplazamiento transversal del vehículo en relación al eje de la vía férrea, el que depende del radio de la curva, del largo del vehículo y de la distancia entre los centros de giro.

FIGURA 2-1

La parte del vehículo situada entre los centros de giro se desplazará hacia el interior de la curva en una magnitud dada por la expresión:

di = en que:

di n a p R

n × a − n 2 + ( p 2 / 4) 2R

es el desplazamiento transversal en una sección dada del equipo es la distancia entre esta sección y el centro de giro más próximo es la distancia entre centros de giro (copas centro de boguies) es la distancia entre los ejes extremos del boguie es el radio de la curva

El desplazamiento máximo en el centro del vehículo, en que n = a/2, será:

d i ⋅ max =

a2 + p2 8R

A su vez, el desplazamiento hacia el exterior de la curva de las partes del vehículo situadas en los extremos está dado por la expresión:

de =

n × a + n 2 − ( p 2 / 4) 2R

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2-6

De donde se sigue que el desplazamiento máximo de una sección externa de un vehículo de largo total l será:

d e⋅max =

l 2 − a2 − p2 8R

FIGURA 2-2

2.3.3.2 Desplazamiento por Holguras Laterales del Vehículo y la Vía Al desplazamiento geométrico de los vehículos debe agregarse el correspondiente a las holguras laterales entre el vehículo y la vía, y las correspondientes al sistema de rodado y suspensión del vehículo, incluyendo todas las holguras permitidas correspondientes a desgastes y desajustes. Si t es la trocha efectiva, medida según normas a 16 mm por debajo de la cara superior del riel, y d la distancia efectiva entre el punto de contacto de las pestañas con los rieles, medida 16 mm por debajo del plano de rodadura, en cada lado las holguras laterales entre los ejes y la vía están dadas por la expresión siguiente.

h1

=

(t – d)/2

La holgura lateral h2 entre los ejes y el marco del boguie y la holgura entre el boguie y la caja del vehículo, h3, son datos de cada vehículo. Para calcular los desplazamientos hacia el interior de la curva, las holguras señaladas se suman:

dci

=

h1 + h2 + h3

Para calcular los desplazamientos hacia el exterior se calcula en la posición más desfavorable, en que el vehículo está atravesado en la vía, por lo que el desplazamiento es mayor a la simple suma de las holguras en una proporción que depende del largo total del vehículo l y de la distancia entre los centros de giro a:

d ce = d ci ×

l a

Es conveniente tener en cuenta que en la trocha ancha de los ferrocarriles chilenos, la trocha normal de la parada de ruedas en los puntos teóricos de contacto con el riel es de 1.655 ± 2 mm para el equipo remolcado y de 1.653 ± 1 mm para el equipo tractor, o sea que existe una holgura de 21 mm en un caso y 23 mm en el otro respecto de la trocha nominal de 1.676 mm. MIDEPLAN - SECTRA

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2-7

FIGURA 2-3

Por su parte, la tolerancia de la trocha en la vía depende de diversos factores, los cuales se detallan en la sección correspondiente: • La trocha de diseño es de 1.676 ± 2 mm en vías con rieles nuevos y 1.676 ± 2,5 mm en vías con rieles de reempleo. • En curvas de radio 550 m o inferior, debe darse un ensanche que varía entre 5 mm para radio 550 m y 25 mm para radio 180 m o inferior. Estas tolerancias aparecen en la Norma EFE-NTF-11-003 de EFE. El ensanche tiene tolerancia de ± 2,5 mm en vías con riel nuevo y ± 3,0 mm en vías con riel de reempleo. • La tolerancia de la trocha en las vías en explotación depende de la Clase de vía, (Clases A a F, como se define en la Norma EFE-NSF-11-001 de EFE) y varía entre 1.668 y 1.710 mm para las vías Clase A, y entre 1.670 y 1.682 mm para las vías Clase F. Estas tolerancias aparecen en la Norma EFE-NSF-11-001 de EFE. En las curvas con ensanche, los valores de la trocha no pueden exceder los señalados para estas tolerancias. • Para el cálculo de los desplazamientos de los equipos debe tenerse en cuenta además las tolerancias de alineación, que aparecen en las Normas EFE-NSF-11-001 (Norma de seguridad) y EFE-NTF-11-003 (Norma técnica). • En estaciones debe considerarse los ensanches en desviadores y travesías, señalados en la Norma EFE-NTF-11-003 de EFE. 2.3.3.3 Desplazamiento Debido al Exceso o Insuficiencia de Peralte Finalmente, es necesario tener en cuenta que al circular por una curva, los vehículos se inclinan hacia el exterior de ella en una cantidad que es proporcional a la llamada aceleración no compensada, que corresponde a la parte de la aceleración centrífuga que no es compensada por el peralte. Habitualmente en las vías de tráfico mixto, se utilizan peraltes intermedios entre los requeridos por los trenes rápidos y los trenes lentos. De esta manera, los trenes de pasajeros, los que circulan a mayor velocidad que la que el peralte compensa, se inclinan hacia el exterior de la curva por insuficiencia de peralte, y los trenes de carga, que circulan a menor velocidad, se inclinan hacia el interior, por exceso de peralte.

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2-8

La inclinación de los equipos se produce girando alrededor de un punto llamado centro de balanceo (o de roulis) situado a una altura hc que depende de cada equipo. La magnitud del desplazamiento dependerá además de la aceleración transversal, de la llamada flexibilidad de la suspensión. Este se expresa en un coeficiente de flexibilidad (o de souplesse) S, que también depende de las características de cada equipo.

FIGURA 2-4

En EFE, la aceleración sin compensar en líneas de tráfico mixto es de 0,4 m/s2, equivalente a 71 mm de peralte. Para estos valores, el desplazamiento transversal de un punto situado a una altura h está dado aproximadamente por:

dp =

S ( h − hc ) 25

La Norma de Aplicación del Gálibo de Material Rodante de RENFE, analiza estos conceptos en mayor detalle, permitiendo el cálculo del perfil constructivo del material rodante. En la práctica, para el cálculo del gálibo de las obras de arte, los desplazamientos más importantes son los geométricos y los restantes desplazamientos, que por regla general en conjunto no exceden 50 mm en ninguno de los casos, se estiman en forma global en esta cifra. 2.3.4

Conicidad de la Superficie de Rodado de Llantas o Ruedas Cuando, en una alineación recta de la vía, una rueda se desplaza lateralmente sobre uno de los rieles, el movimiento es compensado mediante la conicidad de las llantas, que tiene por objeto atraer la rueda hacia el eje de la vía. El movimiento de la parada de ruedas completa se puede asimilar al de un bicono constituido por dos conos iguales opuestos por sus bases que ruedan sobre dos rieles paralelos. El centro del bicono adopta un movimiento de tipo sinusoidal el que se denomina habitualmente serpenteo o lacet. El valor de la conicidad de las llantas depende de los diferentes ferrocarriles los cuales adoptan la inclinación que les sugiere su propio criterio. Los hay algunos que han adoptado inclinaciones de llantas de 1:40, 1:20 y otras, siendo la más común la de 1:20. En Chile, la conicidad está normalizada por los ferrocarriles es equivalente a 1:20, para trocha ancha ,y, en trocha métrica, una combinación de 1:8 en los primeros 45 mm medidos desde el borde externo de la rueda y 1:20 para el resto de la superficie de rodado, como se muestra en el plano de EFE 27589 y el la Figura 2-5.

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2-9

FIGURA 2-5

Como consecuencia de la conicidad de las ruedas, los rieles deben ser montados con su superficie de rodado inclinada en una magnitud similar hacia el interior de la vía. La inclinación actualmente utilizada en los ferrocarriles chilenos es 1:40, con excepción de los desviadores y vías de talleres, que no llevan inclinación. 2.4

Peso de los Equipos Rodantes

2.4.1

General El peso total y el peso por eje de los equipos, tanto individual como en formación de trenes tiene fundamental relevancia en el diseño tanto de la subestructura como la superestructura de la vía y en las obras de arte. Una de las funciones principales de los durmientes y del lastre de la vía es la de transmitir a la subestructura –plataforma y terraplén- las cargas estáticas y dinámicas producidas por los trenes. El peso total de los trenes de carga ha venido en permanente aumento, al igual que los pesos por eje. En Chile, dadas las condiciones topográficas, el diseño de la infraestructura ferroviaria y la potencia de las locomotoras, los trenes de carga más largos por lo general no sobrepasan 50 carros –600 m- y 2.500 toneladas brutas. Sin embargo en otros países se registran trenes hasta de 250 carros y 75.000 toneladas brutas, valores que muestran la tendencia de la tecnología de transporte de carga. Asimismo, en Chile las cargas por eje habituales no exceden 19 toneladas, aunque hay nuevos proyectos en que las solicitaciones son mayores, registrándose sólo algunas locomotoras con 25 toneladas por eje. El sistema ferroviario norteamericano, en cambio, está transformando la totalidad de su infraestructura para soportar 35 toneladas por eje, correspondiente a carros de 140 y locomotoras de 210 toneladas de peso bruto completo.

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Como contrapartida, los equipos de pasajeros, que en otros países han aumentado fuertemente su velocidad, utilizan materiales y diseños más livianos para reducir el consumo de energía, y no sobrepasan las 20 ton/eje, por lo que el peso de estos vehículos en la mayoría de los casos no es un elemento relevante en el diseño de la infraestructura. 2.4.2

Influencia del Peso en la Sección de los Rieles El peso de los vehículos ferroviarios se transmite a los rieles en los puntos de contacto entre las ruedas y rieles, según el número de ejes del vehículo. Si bien hay diversas configuraciones, lo usual es: • Carros de dos ejes sin boguies, usuales en Europa • Carros y coches sobre 2 boguies, con 4 ejes en total • Carros y coches sobre boguies compartidos, con promedio de 2 ejes por vehículo • Locomotoras sobre 2 boguies, con 4 ejes en total • Locomotoras sobre 2 boguies, con 6 ejes en total Hay otras configuraciones, especialmente en locomotoras, que además de los boguies motores llevan boguies portantes y otras, como los vehículos livianos Talgo que llevan una sola parada de ruedas entre coches, haciendo un promedio de un eje por coche.

FIGURA 2-6 Configuraciones de carros, locomotoras y automotores

En todos los vehículos, el peso bruto completo se reparte entre los diversos ejes de manera más o menos uniforme y se expresa en la forma de un peso máximo por eje, el que debe ser soportado por el riel. Desde el punto de vista del análisis estático, el riel actúa como una viga continua apoyada en los durmientes, cuya sección dependerá de la carga por eje y de la distancia entre los durmientes. Sin embargo, consideraciones de orden práctico llevan a que la dotación de durmientes por kilómetro –que fija la distancia entre ellos- puede variar sólo entre ciertos márgenes y resulta ser una consecuencia del tipo de tráfico de la línea, como se verá. Por otra parte, el comportamiento dinámico de la enrieladura introduce una serie de factores muy difíciles de cuantificar, por lo que se ha desarrollado una serie de fórmulas empíricas que intentan dar una solución adecuada al problema.

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La más sencilla de estas fórmulas es la del Congreso Ferroviario de El Cairo:

q

=

2,5 P

en que q es el peso por metro lineal del riel y P el peso por eje del vehículo más pesado. Otras expresiones introducen factores como la velocidad y la densidad de tráfico de la línea. La fórmula de Shajunianz, propuesta por el Profesor español Fernando Oliveros en su Tratado de Ferrocarriles es:

q = a (1 + 4 T ) × (1 + 0,012V 2 ) 2 / 3 P 2 / 3 en que:

q es el peso por metro lineal del riel en kg a es un coeficiente que es 1,2 para los vagones y 1,13 para locomotoras T es el tráfico anual en millones de toneladas brutas V es la velocidad máxima de circulación en km/h P es la carga por eje en toneladas

Esta fórmula es aplicable para velocidades hasta 160 km/h. Sin embargo, las normas ferroviarias tratan de incorporar la experiencia práctica recogida por el ferrocarril a lo largo de los años y clasifican las diversas líneas en Clases, que consideran el volumen de tráfico y Categorías, que consideran las velocidades de circulación, señalando para ellas las diversas características y dotaciones de los elementos que componen la vía. En estas condiciones, la fórmula propuesta por el Manual AREMA (reproducida en el Molesworth’s Handbook) considera los parámetros más importantes para el diseño, la carga por eje y la velocidad de circulación:

q = 9×(

P PV 2 2 / 3 + 0,00003861 × ) 2 2

Esta fórmula se grafica en el Gráfico 2-2.

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GRÁFICO 2-2

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2.4.3

PAGINA 2-13

Dotación de Durmientes Como se ha señalado en el punto anterior, la dotación de durmientes depende más bien de la densidad de tráfico de la línea que del peso de los trenes. La Norma EFE-NTF-11-003 de EFE señala las dotaciones de durmientes para las diferentes clases de vías definidas en la Norma EFE-NTF-11-001, las cuales corresponden a diferentes densidades de tráfico. El uso de dotaciones menores a las señaladas en la norma, redundará en un más rápido deterioro de la vía y/o mayores costos de mantenimiento.

2.4.4

Calidad de la Subestructura de la Vía Trenes más pesados requieren necesariamente una subestructura de la vía más resistente y libre de problemas de drenaje o de terrenos incompetentes. Aún cuando las solicitaciones de las carreteras sobre el terreno natural son en general inferiores a las ferroviarias, las prácticas de diseño de la vialidad son adecuadas y suficientes para los trazados ferroviarios. Estos temas se tratan en mayor profundidad en la Sección 4 de estas Recomendaciones.

2.4.5

Puentes y Obras de Arte Para el caso de los proyectos nuevos, el cálculo de los puentes y otras obras de arte debería tener en especial consideración las solicitaciones previstas en el futuro. El progresivo aumento del peso de los trenes y de las cargas por eje ha llevado a la necesidad de calcular los puentes para solicitaciones cada vez mayores. En EFE se utiliza trenes-tipo para el cálculo, los que son de data muy antigua y están basados en trenes con locomotoras a vapor. Si bien aún se conserva la definición de los trenes tipo A y tipo B, el cálculo de nuevas estructuras en los últimos tiempos se ha hecho con el tren tipo C, que tiene una distribución de cargas más acorde con los trenes modernos. El tren tipo C está formado por dos locomotoras a vapor de 24 t/eje, con ténder de 18 t/eje y carros con 18 t/eje. Su distribución de cargas se resume a continuación. 5 ejes de 24 t a 1,4 m c/u; (1ª locomotora) a 4,2 m, 4 ejes de 15 t a 1,4 m c/u; (1º ténder) a 4,2 m 5 ejes de 24 t a 1,4 m c/u; (2ª locomotora) a 4,2 m 4 ejes de 15 t a 1,4 m c/u; (2º ténder) a 2,1 m 2 ejes de 18 t a 1,4 m; (boguie A de carro Nº 1) a 4,9 m 2 ejes de 18 t a 1,4 m; (boguie B de carro Nº 1) a 2,1 m 2 ejes de 18 t a 1,4 m; (boguie A de carro Nº 2) así sucesivamente agregando ejes 2*18 ton.

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PAGINA 2-14

GRÁFICO 2-3

El tren tipo C está en el límite inferior de lo aceptable para los modernos trenes de carga, incluso con los estándares reducidos de los ferrocarriles chilenos. Se prevé que en el futuro cercano las solicitaciones de los trenes de carga serán aún mayores y por lo tanto será necesario desarrollar un tren tipo D, para usar en el diseño y cálculo de puentes nuevos, o en el refuerzo de los antiguos. En Norteamérica se utiliza el tren-tipo Cooper E-80 para el cálculo de estructuras. GRÁFICO 2-4

Aunque este tren-tipo también está basado en locomotoras a vapor, es mucho más pesado que el tren C de EFE y puede utilizarse para el diseño mientras no se cuente con el tren tipo D. 2.5

Potencia El esfuerzo de tracción que deberá ejercer el equipo tractor, será igual a la resistencia al rodado del mismo y del equipo remolcado, a la velocidad de circulación deseada. Para desarrollar este esfuerzo de tracción, el equipo deberá cumplir dos condiciones básicas: 1. Contar con la potencia suficiente para vencer la resistencia al rodado. 2. Que el esfuerzo de tracción en las llantas no sobrepase el límite de adherencia entre la rueda y el riel en ninguna condición de diseño.

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2.5.1

Resistencia al Rodado Las resistencias al rodado suelen agruparse en 7 categorías o grupos1: Grupo I Grupo II Grupo III Grupo IV Grupo V Grupo VI Grupo VII

(a) resistencia al rodado por roce rueda-riel (b) resistencia por roce de cojinetes o rodamientos en los ejes (a) resistencia por deformaciones e irregularidades de la vía (b) resistencia del aire (c) resistencia del viento resistencia por pérdidas de energía en enganches y suspensiones resistencia de gradientes o rampas resistencia en curvas resistencia de inercia o a la aceleración resistencia de generadores u otros equipos accionados por los ejes

Habitualmente se usan fórmulas empíricas para calcular las resistencias de los Grupos I, II, III y V. Las restantes, con excepción de las del Grupo VII que son prácticamente despreciables, se determinan por cálculo. No es el propósito de las presentes Recomendaciones de Diseño entregar los procedimientos de cálculo de la potencia de los diferentes tipos de vehículo. Estos procedimientos, que son aproximados y dependen de las características específicas de cada vehículo, aparecen en los manuales y cursos de ferrocarriles. Los factores que se relacionan con las características de la infraestructura son solamente dos: la resistencia de gradientes y la resistencia de curvas. Las restantes corresponden ya sea a las características del equipo rodante (Grupos I, III, VII) o de las condiciones de explotación ajenas al diseño de la vía férrea (Grupos II, VI). Las resistencias al rodado se miden normalmente en kilógramos de esfuerzo tractor por tonelada de peso bruto del vehículo [kg/t]. En lo que se refiere a la resistencia de gradientes y rampas, ésta está dada por la expresión:

rg

=

i

en que la resistencia específica rg expresada en [kg/t] es numéricamente igual a la gradiente i en [mm/m] (‰). En la práctica, trenes largos pueden estar inscritos en una o más gradientes de diferente inclinación. La resistencia total estará determinada por la resistencia de cada rampa multiplicada por las toneladas de la fracción del tren que se encuentra dentro de ella.

RG

1

=

ΣrGi*pi

[kg]

Curso básico de tracción ferroviaria, R. Piraud, UCh MIDEPLAN - SECTRA

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Hay diversas fórmulas empíricas para determinar la resistencia de las curvas. La más utilizada es la fórmula de Desduits:

rc = en que:

500 × T R

rc está expresada en kg/t T es la distancia entre ejes de los rieles en metros (no es la trocha) R es el radio de la curva en metros

En la práctica, trenes largos pueden estar inscritos en una o más curvas de diferente radio. La resistencia total estará determinada por la resistencia de cada curva multiplicada por las toneladas de la fracción del tren que se encuentra dentro de ella.

RC

=

ΣrCi*pi

[kg]

Se utiliza como gradiente de diseño la suma de ambos valores, la que determina la capacidad de arrastre y velocidad de marcha de los trenes en un tramo dado.

iD

=

rG

+

rC

[kg/t]

Normalmente la resistencia de la gradiente es la más importante, sobrepasando a la resistencia específica del equipo (Grupos I, II, III, VI, VII) por un factor de 10 a 20 y la resistencia de las curvas por un factor de 5 a 10, dependiendo obviamente de las características geométricas del trazado. 2.5.2

Capacidad de Tracción de los Equipos La potencia efectiva de tracción en las ruedas de los equipos tractores está dada por la relación:

N= en que:

F ×V 270

[1]

la potencia N está expresada en [HP] F es el esfuerzo tractor en las ruedas, expresado en [kg] V es la velocidad del vehículo en [km/h]

La curva de potencia es una hipérbola y tiene la forma que se muestra en el Gráfico 2-5.

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GRÁFICO 2-5

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La capacidad de tracción está limitada por la adherencia entre rueda y riel. Siendo F el esfuerzo tractor, P el peso adherente del vehículo y f el coeficiente de adherencia, para que un vehículo pueda avanzar se requiere que:

F < f ×P

[2]

Cuando esta condición no se cumple, las ruedas patinan y el vehículo no avanza. Por esta razón es necesario que el valor f × P sea lo más alto posible. Como no es posible aumentar el valor de P en forma indefinida, ya que equipos más pesados requerirían una infraestructura más resistente y de mayor costo, además de mayores consumos de energía, el límite dado por f × P se eleva actuando sobre ambos valores. El valor de f no es constante y depende de diversos factores: • depende de la configuración geométrica de los equipos, de la distribución de los esfuerzos en los ejes y del estado de los metales en contacto • disminuye al aumentar la velocidad • disminuye al aumentar la humedad • es menor cuando los esfuerzos de tracción no son continuos y uniformes Habitualmente el coeficiente de adherencia se expresa en % y varía entre 10% y 30%. Las locomotoras modernas, que tienen control computarizado de regulación del esfuerzo tractor en los ejes y arenado automático, llegan a adherencias del orden de 40%. El aumento del valor de P se obtiene aumentando la cantidad de ejes tractores, transfiriendo a los ejes tractores peso adicional, y lastrando las locomotoras. Las posibilidades de lastramiento dependerán, como se ha dicho, de las características de la vía férrea. Sin embargo, la condición [2], que el esfuerzo tractor sea inferior al producto del peso por el coeficiente de adherencia es necesaria pero no suficiente. Para que el vehículo avance, se requiere además que:

F ≥ rt × P

[3]

en que rt es la resistencia total al rodado del vehículo. En el límite, F = rt × P. Aplicando este valor a la expresión [1]:

N=

rt × P × V 270

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GRÁFICO 2-6 CAPACIDAD DE ARRASTRE DE UNA LOCOMOTORA D-18000 DE EFE

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Esta expresión corresponde a una familia de hipérbolas, las que dependen de los diversos valores de rt. En la práctica, las capacidades de remolque de las locomotoras se representan en un gráfico similar al Gráfico 2-6, donde se muestra la capacidad de arrastre en toneladas para diferentes gradientes. Los diferentes valores de rt deberían incluir las correspondientes resistencias de las curvas del tramo considerado para conocer la capacidad de arrastre efectiva de la locomotora. 2.6

Velocidad de Circulación

2.6.1

General La velocidad de circulación condiciona el diseño de la vía férrea en diversas formas: • • • • • •

Determina la geometría de las curvas Determina la distancia entre las vías Fija la magnitud a las tolerancias geométricas de la vía Determina requisitos de la subestructura de la vía y lastramiento Introduce exigencias adicionales en el diseño de la superestructura de la vía Introduce exigencias adicionales en el diseño de los puentes

Los tres primeros aspectos se refieren al diseño geométrico de las vías. Estos aspectos se analizan en mayor detalle en la Sección 3, correspondiente al diseño de los trazados. Las normas ferroviarias separan las vías en clases, según sus velocidades máximas de circulación. La norma de seguridad de EFE, EFE-NSF-11-001 establece las siguientes clases, que se muestran en la Tabla 1: TABLA 2-1 Clasificación de las Vías de Circulación Clase A B C D E F

Velocidad máxima [km/h] Trenes de carga Trenes de pasajeros 20 40 65 100 130 160

30 50 100 130 160 180

La norma establece diversos requisitos para las vías de estas Clases, algunos de los cuales están relacionados directamente con las características de los vehículos ferroviarios.

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2.6.2

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Curvas En el caso de los proyectos nuevos, se define una ‘velocidad de diseño’ para el proyecto, la cual determinará los parámetros del diseño geométrico y constructivo de las vías. Uno de los elementos más restrictivos es el radio de las curvas. Como se muestra en la Sección 3 de las Recomendaciones, la aceleración transversal que se manifiesta al circular un vehículo ferroviario por una curva es proporcional al radio de ésta y se compensa total o parcialmente mediante el peralte. El peralte puede compensar la totalidad de la aceleración centrífuga cuando por la curva circulan vehículos a una sola velocidad. Cuando por ella circulan vehículos a diferentes velocidades, los más rápidos estarán sometidos a una aceleración transversal no compensada que experimentarán sus pasajeros o carga. Inversamente, los más lentos tendrán un exceso de peralte y sobrecargarán el riel inferior, con variados resultados dependiendo de su magnitud.

FIGURA 2-7

En una curva totalmente compensada, la velocidad y el peralte están relacionados por la siguiente expresión:

h=

TV 2 gR

en que T es la distancia entre ejes de los rieles, V la velocidad máxima compensada y R el radio de la curva. La relación anterior supone la compensación total de las aceleraciones centrífugas. Sin embargo, en las curvas de la práctica sólo se compensa una parte de esta aceleración, manteniéndose la llamada aceleración sin compensar. Los valores de la asc varían en las diferentes administraciones ferroviarias, según su percepción principalmente del confort de los pasajeros. Para el caso de las líneas de pasajeros, sean ellas exclusivas o mixtas, se recomienda un valor de asc de 0,4 [m/s2], el que corresponde al del Plan Director Europeo. MIDEPLAN - SECTRA

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En algunos países se utilizan valores diferentes, pero el criterio general es que asc no sobrepase 0,07g ó, a lo sumo en casos especiales, 0,11g. En el caso de la norma española, por ejemplo, asc = 0,65 [m/s2], equivalente a 0,066g. 2. De acuerdo con lo anterior, dada la velocidad de circulación de un sistema, puede determinarse el peralte que debe tener una curva dada para compensar las aceleraciones transversales. Naturalmente, esto es válido en vías de velocidad única. En las vías en que circulan vehículos con velocidades diferentes, como son las de tráfico mixto, es preciso fijar un valor intermedio del peralte, ya que de adoptar para las vías el peralte de los vehículos rápidos, los vehículos lentos producirán mayores desgastes en la vía y tendrán dificultades en la partida en curva, y de adoptar el peralte de los vehículos lentos, los usuarios de los rápidos experimentarían aceleraciones inconfortables. Hay diversos criterios para determinar este peralte intermedio, algunos de los cuales dependen de los valores relativos de las velocidades y otros además, de la frecuencia de utilización. El criterio utilizado en España es que el peralte práctico sea 2/3 del peralte teórico de la velocidad mayor. Para la trocha chilena, que es prácticamente igual a la española:

h=

9Vm2 R

[mm]

en que Vm es la velocidad de los vehículos más rápidos que circularán por la vía, en [km/h] y R el radio de la curva en [m]. El peralte se limita por razones de orden práctico. También en este caso hay criterios diferentes en los diversos países, y el peralte máximo varía entre 1/9 a 1/12 del valor de T. Las normas de EFE consideran un valor máximo absoluto para el peralte de 170 [mm]. La velocidad máxima permisible en una curva está dada por la relación: V

=

h R ( g + a sc ) T

en que R es el radio de la curva, h el peralte máximo, T la distancia entre ejes de los rieles, g la aceleración de gravedad y asc la aceleración sin compensar. Al utilizar los valores ya definidos para estos parámetros en las vías de pasajeros o de tráfico mixto, se tiene (R en [m]): Vm

2

=

4,2 R

[km/h]

Apuntes de Clases, J. M. García Díaz de Villegas, Universidad de Cantabria, España. MIDEPLAN - SECTRA

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En líneas exclusivas para trenes de carga, donde las velocidades son menores, se compensa la totalidad de la aceleración transversal. En este caso, la velocidad máxima en una curva es de: Vc

=

3,5 R

[km/h]

En los casos de proyectos sobre vías existentes, las curvas de menor radio constituirán restricciones a la velocidad de los trenes, las que deberán ser analizadas en forma separada para determinar si resulta conveniente hacer modificaciones al trazado o mantenerlas como restricciones. 2.6.3

Entrevías La distancia entre las vías suele aumentarse en los trazados para mayor velocidad, por consideraciones dinámicas, provenientes de la compresión del aire entre dos trenes que se cruzan. Este efecto es especialmente importante en el interior de los túneles. Las normas ferroviarias establecen entrevías mínimas para las diferentes categorías de vías atendiendo a la velocidad de circulación. En el caso chileno, éstas están contenidas en la Norma EFE-NTF-11-003.

2.6.4

Tolerancias en la Geometría de la Vía Las vías para circular a mayores velocidades deben tener una geometría mucho más precisa y por lo tanto las tolerancias dimensionales deberán ser menores. Esto es particularmente importante en las tolerancias de: • • • • • •

trocha alineación nivelación alabeo peralte acordamientos

Todos estos aspectos se tratan en la Norma EFE-NTF-11-003. 2.6.5

Calidad de la Subestructura de la Vía Mayores velocidades requieren necesariamente una subestructura de la vía uniforme, más resistente y libre de problemas de drenaje o de terrenos incompetentes, para asegurar un comportamiento elástico, y evitar tanto los asentamientos diferenciales como los problemas derivados de la saturación de los terrenos. Estos temas se tratan en mayor profundidad en la Sección 4 de estas Recomendaciones.

2.6.6

Calidad de la Superestructura de la Vía Mayores velocidades requieren de mayores y mejores perfiles de balasto, de mejores sujeciones y mayores secciones de riel para asegurar un comportamiento dinámico estable de los vehículos. Las normas ferroviarias establecen ciertos requisitos para estos elementos, atendiendo a la velocidad de circulación. Estos temas se tratan en mayor detalle en la Sección 7 de estas Recomendaciones. MIDEPLAN - SECTRA

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2.6.7

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Puentes y Obras de Arte Los puentes ferroviarios chilenos son por regla general estructuras de acero bastante antiguas, cuyo estado de conservación muchas veces impone restricciones a la velocidad de circulación. Las estructuras metálicas tienden a ser más elásticas y por lo tanto a presentar vibraciones y oscilaciones que aumentan en forma exponencial con la velocidad. En parte por esta razón, las estructuras de los trazados modernos de mayor velocidad se construyen en hormigón, material que no sólo presenta mejores respuestas ante dichos fenómenos, sino además tiene otras ventajas, como sus menores costos de mantenimiento. En general, como se muestra en la Sección 5 de estas Recomendaciones, es preferible diseñar los puentes nuevos, cualquiera que sea su tamaño, en hormigón armado. Respecto de la mayoría de los puentes metálicos existentes en Chile, su velocidad está limitada a 100 km/h para los trenes de pasajeros y 80 km/h para los de carga, ya sea por sus características de diseño o por su estado de conservación. Como se indica en la Sección 5 de las Recomendaciones, los puentes de tablero inferior permiten velocidades mayores que los de tablero superior. En todo caso, las limitaciones de los puentes deben establecerse en forma individual. Existen sujeciones elásticas con amortiguación que pueden reducir las vibraciones y oscilaciones transmitidas por los trenes al puente, las que en la teoría permitirían aumentar la velocidad. Sin embargo, para asegurar que tales sujeciones den resultado en casos específicos deberá hacerse cuidadosos estudios y verificaciones en terreno, ya que los comportamientos de oscilación de las estructuras son muy complejos y dependen de su diseño.

2.7

Características del Rodado

2.7.1

General Como se desprende de los puntos anteriores, hay una serie de características de los equipos rodantes que le son propias y que deben tenerse en cuenta en el diseño geométrico y estructural de la vía. Otras características de los equipos inciden en la operación y el mantenimiento, ya que la naturaleza de los esfuerzos dinámicos que se producen en la vía hace que pequeñas deformaciones iniciales amplifiquen los fenómenos que las produjeron, aumentando su magnitud hasta exceder las tolerancias admisibles. Esto conduce a concluir que los sistemas deben diseñarse teniendo en cuenta las siguientes situaciones de riesgo potencial: 1. Que durante la explotación del sistema, el mantenimiento de la infraestructura no se haga con la frecuencia y el grado de rigurosidad técnica necesarios. 2. Que durante el período de vida útil del proyecto, se haga circular vehículos de mayor peso y/o a mayor velocidad que los permitidos por el diseño. Estas situaciones son de muy frecuente ocurrencia y en particular la primera lleva a rápidos y profundos deterioros de los sistemas ferroviarios, ya que la interacción entre la infraestructura y los equipos habitualmente produce un mutuo deterioro que se retroalimenta. MIDEPLAN - SECTRA

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De esta manera, una vía con su geometría o su integridad mecánica en condiciones deficientes producirá deterioros en el rodado y la suspensión de los equipos rodantes, los cuales a su vez agravarán el estado de la vía, realimentando el proceso. Las normas de seguridad han tratado de fijar estándares mínimos al estado de mantenimiento de la vía, con la intención de establecer un límite que no debe ser sobrepasado, pero el resultado es que, en los casos en que dichas normas se respetan, los niveles de mantenimiento han sido ajustados por las administraciones ferroviarias escasamente para dar cumplimiento a estos estándares, los que están en el límite de seguridad, pero no en el de una operación eficiente. Por estas y otras razones relacionadas con la economía global de los sistemas, la evolución del diseño ferroviario ha sido la de proyectar sistemas que requieren muy poco mantenimiento, en especial en la infraestructura aunque también en los equipos. Esto se traduce en mayores secciones de riel soldado continuo, sujeciones elásticas sin regulación, del tipo “fit & forget”, mejor lastramiento, llegando incluso a las vías monolíticas, sistemas de catenarias autotensionadas y otros. Estos sistemas, dimensionados con criterios más exigentes, representan una mayor inversión inicial, la que debe compensar los menores costos de mantenimiento durante el período de explotación del proyecto y a la vez permiten hacer frente a la evolución natural de los vehículos ferroviarios hacia unidades de mayor tamaño y peso, que circulan a mayores velocidades. Los puntos que siguen, si bien corresponden a aspectos de la especialidad que escapan al ámbito de las Recomendaciones de Diseño, ilustran la naturaleza de los esfuerzos dinámicos en las vías y equipos con la intención de reforzar los conceptos anteriores. 2.7.2

Solicitaciones de la Vía Sobre el Equipo Rodante Cuando un vehículo se mueve sobre la vía, la masa suspendida es susceptible de oscilar en varios sentidos ante la presencia de varias situaciones perturbadoras del movimiento atribuibles a deformaciones de la pista de rodado y a la configuración de la vía: • Deformación de los rieles al paso de las ruedas, debido a la deformación del lastre y de la plataforma, • Desnivelación de las juntas o uniones de rieles eclisadas, • Separación de las juntas por la contracción producida por el descenso de la temperatura, o el efecto de “tiradura” de la vía por causa de la dilatación de los rieles debido al aumento de la temperatura, situación eliminada o minimizada con la soldadura de las uniones. • La desnivelación de la vía a causa de durmientes sueltos • La diferencia de nivelación transversal de la vía por defecto de conservación o por el peralte construido en las curvas. • La ondulación de la superficie de los rieles. Las fuerzas exteriores provenientes de la superficie de rodado de la vía, son capaces de producir los movimientos perturbadores de la marcha, señalados como trepidación, cabeceo o galope, balanceo y lacet. MIDEPLAN - SECTRA

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El esfuerzo de tracción aplicado a los enganches, así como el frenado, traducidos en aceleraciones y deceleraciones transmitidas por los resortes o amortiguadores de aquellos, pueden producir el movimiento de vaivén. El juego u holgura entre los suples de desgaste de los pedestales y de las cajas de grasa o de rodamiento, puede dar lugar a un movimiento lateral de magnitud tal que puede llegar a convertirse en choque en las entradas a curvas o en los movimientos de lacet. Todo lo anterior se refiere principalmente al estado de conservación de las vías más que a sus características de diseño, pero debe ser tenido en cuenta para fijar las tolerancias de construcción y de mantenimiento de la superestructura. 2.7.3

Solicitaciones del Equipo Rodante Sobre la Vía

2.7.3.1 General Las solicitaciones provienen de: • Directamente de la configuración de la vía en planta y en elevación • Como reacción de los movimientos que la masa suspendida adquiere a consecuencia de las acciones de la vía transmitidas por la suspensión. Efectivamente, como se vio antes, las desnivelaciones de la vía, tales como las producidas por durmientes sueltos, la flexión de los rieles entre dos durmientes consecutivos y las desigualdades de las juntas de los rieles, causan variaciones de la carga transmitida por la suspensión y las oscilaciones de ésta pueden producir sobrecargas dinámicas importantes en los rieles, pudiendo llegar a la rotura de éstos, o provocar descargas alternativas de las ruedas, las que en ciertas condiciones pueden producir o facilitar su desrielo 2.7.3.2 Acciones de Inercia Verticales Al paso de los vehículos por deformaciones verticales del riel se presentan acciones de inercia debido a los efectos dinámicos del peso no suspendido de las ruedas, cuya magnitud depende de la velocidad de aquellos. La máxima aceleración aproximadamente:

a=

del

desplazamiento

vertical

de

la

rueda

es

20hV 2 l2

en que: l es la longitud entre dos desnivelaciones consecutivas, en [m] h es la altura de la desnivelación o amplitud máxima de la oscilación en [m] V es la velocidad del vehículo en [km/h].

FIGURA 2-8 MIDEPLAN - SECTRA

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En estas condiciones, la sobrecarga dinámica será:

P0 20hV 2 ∆P0 = ± × g l2 en que P0 es el peso no suspendido de la rueda en [kg]. En los puntos altos de la vía se producirá una descarga de la rueda que a grandes velocidades puede alcanzar valores de importancia en proporción a la carga total transmitida por la rueda y en los puntos bajos se producirá una sobrecarga también importante. La rueda en su descenso no puede recorrer la curva con una aceleración mayor que g, por consiguiente:

20hV 2 = 9,8 l2 Siendo l constante, al aumentar V la curva descendente queda descargada y es la amplitud h la que disminuye para mantener la relación, tendiendo la rueda a mantenerse en el aire. 2.7.3.3 Acciones de Inercia Debido a un Obstáculo Vertical Si la rueda de un vehículo que se desplaza a una velocidad V encuentra un obstáculo vertical de altura h, se producirá un movimiento oscilatorio armónico de la masa suspendida, en la cual la amplitud o flecha dinámica fd de la oscilación dependerá, además de la velocidad inicial V0 de la rueda, de la masa de la misma, o sea, de la energía cinética del peso no suspendido P0 de la rueda. Un análisis teórico del proceso de oscilación lleva a expresar la sobrecarga dinámica de la rueda debido al peso no suspendido, con la siguiente relación:

∆P0 = ± en que:

fd P 1 h = ±V × ( 2 × 0 × × )1 / 2 K K g r

K es la flexibilidad del resorte r es el radio de la rueda

FIGURA 2-9

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2.7.3.4 Acciones de Inercia Horizontales Corresponden a las reacciones transversales que se producen en el contacto de las ruedas con los rieles debido al movimiento de lacet en las alineaciones rectas y a la entrada de las curvas. Mientras la pestaña de la rueda no entra en contacto con el riel, el esfuerzo lateral estará limitado al esfuerzo de rozamiento que corresponde a un porcentaje de la carga en relación con la velocidad del vehículo, pero los movimientos de lacet y los choques a la entrada de las curvas producen una desviación brusca del vehículo, la que tiene como consecuencia el contacto directo entre la pestaña y el riel, originando la reacción transversal cuyo valor alcanza, en altas velocidades, hasta un 40% de la carga, incluyendo la acción de la fuerza centrífuga. Debido a que el vehículo después del choque conserva una cierta fuerza viva, la fuerza consumida en el choque se puede expresar por la fórmula general:

1 P 2 2 × V ϕ ×C 2 g

Fr =

en que: ϕ es el ángulo de ataque de la rueda al riel V es la velocidad del vehículo C es el coeficiente de reducción