Diseño y Caracteristicas de La via Ferroviaria

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Fnmcisco J. Calvo Poyo Rafael Jurado Piña José lorente Gutiérrez Juan de Oña lópez ~

JS

G RUPO E DITOR IAL NIVERSITARIO

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Francisco J . Calvo Poyo Rafael Jurado Piña José Lorente Gutiérrez Juan de Oña López

Área de Ingeniería e Infraestructuras de los Transportes Departamento de Ingeniería Civil Universidad de Granada

2005

Fotografía de portada: R-598 rea lizando un se rvicio Sevi ll a-Almcría. Viaducto de El Barrancón (const ruido en 1873 ). Loja (Granada) , 22 de mayo de 2005 . Todas las fotografías ha n sido rea lizadas por F.J. Calvo, salvo menc ión expresa .

DI SEÑO Y CA RACTERí STICAS DE L A V í A FERROV IA RIA

Primera Edic ión © F.J . Calvo Poyo. R. Jurado Piña, J. Lorente Gut iérrez y J. de Oña López

Edita: Grupo Editori al Uni versitario ISBN: 84-849 1-60 1-4 Depósilo Legal: GR-2.473-2005

Imprime: Lozano Impresores S.L.L. Distribuye: Grupo Ed itorial Universitario Te lr.: (958) 80 05 80 Fax: (958) 29 16 15

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Reservados los derechos pum todos los países. Ningu na parte de esta publ icación. incluido el diseño de cubielUl ser reproducida. almacenada o transmitida de ninguna forma. ni por ningún medio . sea este electrónico. mecánico. electro-ópt ico . grabación, fotocopia o cualqu ier otro. sin previa autori zación escrita del editor.

PRÓLOGO

El

~camino

de hierro" que hemos decidido seguir es sin duda una senda singular. Su peculiar

naturaleza material y geométrica todavía no ha desvelado todos los secretos que encierra. Mientras tanto, la bondad de su comportamiento

histórico y el éxito conseguido en su

constante perfeccionamiento para responder a nuevos retos nos invita a mirar hacia delante como hipnotizados por su paralelo reflejo.

Diseño y Características de la Vía Ferroviaria pretende ilustrar al lector sobre estas peculiaridades, con el fin de arrojar un poco de luz sobre la problemática que de ellas se deriva y sentar unas mínimas bases para poder enfrentarse al diseño de este tipo de vías de comunicación.

No es mal momento éste en el que nos encontramos: últimamente el sol se refleja con fuerza en los acerados hilos, indicando claramente el cam ino a seguir. Después de décadas de oscuridad y declive, el ferrocarril renace con fuerza en la vieja Europa. Aquí en España, que sol no nos falta, parece como si caminantes, técnicos y gobernantes se hubieran sentado a la solana y hubíeran sido deslumbrados antes que sus vecinos allende los Pirineos. Desde este temprano despertar se han realizado gestas notables, desfecho grandes entuertos y comenzado nuevas aventuras. Amab les trenes roj iblancos han abierto las puertas de las ciudades, saetas blancas asoman y se desvanecen burlando horizontes, y

puertos, mercados y talleres se transforman para poder cargar sus

mercaderías en las alforjas del "caballo de hierro". No ha sido baladi el empeño para lograr tales conquistas: a cada paso han aparecido inmensas montañas, trochas dispares y otros grandes maleficios. Aquí donde nos encontramos, casi la mitad de los caudales del Ministerio de Fomento están dedicados a esta noble labor y muchos de nosotros seremos llamados a participar en ella. En llegando este acontecer, invitamos al lector a instruirse en estas artes tomando lectura de aquestos humildes papeles. En ellos se refleja la sabiduría recogida en la bibliografía clásica, en los apuntes de distintas escuelas de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos y el conocimiento adquirido a través de la experiencia profesional e investigadora y de las vivencias del caminante infatigable.

Perdonará el lector que, por tratarse de un libro, no podamos ofrecerle ecos, estrellas o brisas que guíen su camino. En su lugar le mostramos toda suerte de grabados y figuras , trazados por las más diestras plumas y los más exquisitos pinceles, que esperamos expliquen lo que nuestras limitadas voces no alcanzan. Si después de entretenerse con estas páginas ansía el lector conocer más sobre este sin par medio de transporte, le recomendamos que se enfrasque en la lectura de otras que continúan con estas meditaciones, recogidas bajo el nombre -de Funcionamiento y Explotación de la Infraestructura Ferroviaria. Dejando a un lado palabras, números y signos, el camino plateado está ahí, apuntando al infinito, y la mejor ma nera de saber de él es recorrerlo. Buen viaje.

Francisco Javier Calvo Poyo Profesor de Ferrocarriles Universidad de Granada

íNDICE

íNDICE GENERAL

PRÓLOGO ........... .

. .. .... .... .... .... .. ..... .. .. .... ... ... ... ... .. ... .... ..... .. ... .. ... .. .... .. ... .. .... .................. 3

1. INTRODUCCiÓN ..... ...... .. ... .... ...... ..... .. .... ... .... .. ... .. .... ... . ...... .. 1. DESCRIPCiÓN GENERAL DEL FERROCARRIL ...

.. ...... 8 ....................... .... .... .. ... .... .. 8

.. ......... 13

2. HISTORIA DEL FERROCARRIL EN ESPAÑ A. 11. EL TRAZADO DE LA VíA ................................................................ ..

... .. ... ... .. ... 32

1. INTRODUCCiÓN . .... .... .... .... .. .... .... .... .. .... .. .... .. ................................... ..

2. TRAZADO EN PLANTA . .

..... . 32

..................... .... .. ... ... 32

3. TRAZADO EN ALZADO

................ ... ... ... .. ... .. .... ..... .. ... ... ... .. .... .. ... ... .. .. ... ... 55

4. VALORES DE LOS PARÁMETROS DE TRAZADO ..................................................... 60 111. LA VíA FERROVIARIA

...................

.. ................................................................ 66

1. CARACTERíSTICAS DE LA VíA ... .... ... .... .. ... .. .... ..... ... .. ... ... .. ... .. ... ... ... ... ... .. ... .. .. ... ...... 66 2. LA VíA CONVENCIONAL . ... .... ... ... .... .. .... ... .... ..... .. .... ... .. ... ... .. ... .. .... .. .. .... .. ................. 68 3. LA VíA EN PLACA

......... ..... .... .. .... ... .... .. ... .. .... ... .. ... .... ..... ..... ... .. ... ... .. .... ..... ... .... . 70

4. COMPARACiÓN VíA CONVENCIONAL / VíA EN PLACA .. .. ... ... ... ... .. ... ... .. ... .... ... ... ... 71 5. INTERACCiÓN ENTRE LA VíA Y EL VEHíCULO ... ... ..... .. ... ... ... .. .... .. ... .. ... .. ... ... ... ... ... . 74 6. EL ANCHO DE VIA .

.. ......... 80

IV. EL CARRIL .. .... .... ...... .. .... .... .... .... .. .... .. .... .... .......... ..

1. FUNCIONES ....... .. .... .... .... .... .... .. .... .... .. ...... .. 2. MATERIAL . .... ... .... .... .... ..... ... .. ..... ... ... .... .. ... .... .. ..

.. ................ .... .... 88 ................ ..... ... .. ... 88 .. ...... 89

3. FORMA ....................................................................................................................... 89 4. PESO . .... .... ...... ... .... .... ..... ........................................................... ..... ..... ..... ... .. .... .. ... .. .. 95 5. COMPORTAM IENTO .. .... ... ................................... ..... ..... ........... ...... ..... ..... ..... .... .. .. .... . 95 6. DEFECTOS Y ROTURAS 7. DURACiÓN ................ .

.................... .. .... .. .......... .. .. .... .. .. .......... .. .. .... .. .. .... .. 98 . .. .. ... ... .... .. ... ... .. .... ... ... .. ... .. .... .. ... ... ... ... ... .. .... .. ... ..... . 1~

5

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA V. TRAVIESAS ..

....•....................... ......... ........ .... . ....... 108

1. FUNCIONES ............................................... .

......... ............... 108

2. TIPOS DE TRAVIESAS Y SUJECIONES

..........................•... 109

3. TRAVIESAS DE MADERA ............................................................................. . ..... .. 112 4. TRAVIESAS METALlCAS ..

....... 116

5. TRAVIESAS DE HORMIGÓN ...

............... 118

VI. LA CONTINUIDAD DE LA VíA ..

.138

1. LA VíA CON JUNTAS

....................... 138

2. LA VíA SIN JUNTAS ............... .

..142

VII. LAS CAPAS DE ASIENTO ..................................... .

......... .. 158

1. LA PLATAFORMA..

........ .. 158

2. LAS CAPAS DE ASIENTO ..

................................................. 161

3. EL BALASTO.

................

4. EL SUBBALASTO

... .. 163 .. ... 164

5. CALCULO DE LOS ESPESORES DE LAS CAPAS DE ASI ENTO 6. DIMENSIONES DE LA BANQUETA DE BALASTO.

......................... 164

. ................................ 171

VIII. COMPORTAMIENTO MECAN ICO DE LA víA. ..

............ .... ............. ......... ... 174

1. TIPOS DE ESFUERZOS Y CARACTERIZACiÓN DE LA VíA. 2. CALCULO VERTICAL DE LA VíA .....

...... ........ ........... 174 ....... .... ............... .. 179

3. CALCULO VERTICAL DE LAS CAPAS DE ASIENTO ..................................•.•...... 191 4. CALCULO TRANSVERSAL DE LA VíA

........... ......... .......... .......... ......... ....... .... 1%

5. CALCULO LONGITUDINAL. .................................................................................... 203 IX. BIBLIOGRAFíA......................................................... .

....... 208

CAPiTULO 1.- INTRODUCCiÓN

I

Estación de Linarejos, Linares (Jaén). Linea Vadollano-Linares , 2005.

7

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

1. INTRODUCCiÓN 1. DESCRIPCiÓN GENERAL DEL FERROCARRIL. 1.1. Element os que integran el ferrocarril. El ferroca rril es un sistema de transporte terrestre de viajeros y mercancías en el que, a diferencia de la carretera, cami no y vehículo necesitan de un conjunto de subsistemas para su correcto funcionamiento, y estos subsistemas están relacionados entre sí. Dichos subsistemas son los siguientes: •

La infraestructura.

•

La superestructura (ó vía).

•

La electrificación (subsistema opcional).

•

El sistema de control de tráfico y señalización.

•

El material móvil.

1 ELECTRIFICACiÓN

,.()j:., ~, I

Fotografía: Ignacio Aparicio (2005)

Figura 1.1. Subs istemas ferroviarios. Bobadi lla (Málaga)

8

CAPíTULO l.-INTRODUCCiÓN Infraestructura y superestructura son las partes encargadas de materializar el camino, y por lo tanto, han de ser capaces de resistir conjuntamente las cargas que transm itidas por los trenes y garantizar una cierta seguridad y confort en la circulación.

1.1.1. Infraestr uctura. La componen las obras necesarias para materializar una plataforma que sirva de apoyo a la vía. Genera lmente son obras de tierra , tales como

desmontes y terraplenes , y se

construyen de la misma manera que en el caso de las carreteras (aunque con unos parámetros de calidad más exigentes), existiendo una normativa especifica para el caso de los ferrocarriles. Sin embargo, debido a las grandes limitaciones que el ferrocarril tiene en trazado, ya que precisa de curvas de grandes radios (situtmdose el mínimo' en torno a los 500 m) y pequeñas inclinaciones de rasante (la pendiente limite se sitúa en torno a 20 milésimas, el 2 %), es necesario construir un gran numero de obras de fábrica , que se materializan en túneles y estructuras.

1.1.2. Superestructura . Constituye el sistema de soporte (esto conjuntamente con la infraestructura) y guiado del material móvil. Esta formada por el carril, las traviesas , las sujeciones y las capas de apoyo (balasto y subbalasto). •

El carril es el elemento que guía el tren y transmite las cargas hacia las capas inferiores.

•

Las traviesas mantienen el ancho de vía y reparten las cargas en las capas de asiento, y las sujeciones mantienen unidos el carril y las traviesas.

•

El balasto dota a la vía de la necesaria elasticidad vertical para absorber los esfuerzos dinámicos, faci lita el drenaje y transm ite las cargas al subbalasto.

•

El sub balasto es la capa más profunda . Protege a la plataforma del punzonamiento por parte del balasto, y al balasto de las intrusiones de material procedente de la plataforma.

9

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA BALASTO

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TRAVIESA

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/'=--_______ ~ - -~NFRA E11'RUCTURA -

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____ __ _

Figura 1.2. Infraestructura y su perestructura ferrov iaria .

Por otro lado, el material móvil, la electrificación y los sistemas de control de tráfico contribuyen a realizar el transporte de viajeros y mercancías con seguridad , comodidad y eficacia.

1.1.3. Material móvil.

Está formado por el conjunto de vehícu los que circu lan sobre la vía. Se distinguen dos tipos principales: material motor y remolcado. Dentro del material motor se encuentran las locomotoras y las unidades de tren autopropulsadas, también conocidas como automotores. Las locomotoras son las encargadas de arrastrar el material remolcado. Se diferencian básicamente en función del tipo de tracción: vapor, diesel o eléctrica.

Figura 1.3. Tren de mercan cías con do ble tracción locomotoras 319 . Fábrica del Pedroso (Sev illa), 2005.

10

CAPíTULO l.-INTROD UCCiÓN El material remolcado son los vehículos encargados de transportar la carga. Se denominan coches si transportan pasajeros y vagones si transportan mercancías. Existen muchos tipos

de vagones, en función de la carga que vayan a transportar (cisternas, plataformas, cerrados , tolvas , etc. j.

El material móvil autopropulsado (también denominado automotor, unidad de tren , etc.) realiza simultáneamente las funciones de tracción y tra nsporte. Es decir, se trata de unos tre nes formados por coches o vagones con tracción propia, aunque actualmente sólo suelen

utilizarse para el transporte de viajeros, reservándose los trenes co nvencionales para el transporte de mercancías.

1.1.4. Electrificación. Este subsistema sólo está presente cuando la línea ferroviaria se encuentra electrificada , pero no es imprescindible, ya que existen sistemas como la tracción vapor o diesel que no lo necesitan. No está presente en todas las líneas, sino principalmente en las que soportan un tráfico importante o tiene un trazado difícil, debido a la gran inversión necesaria para su construcción.

Figura 1.4. Postes de electri fi cación y cate naria . El Chorro (Málaga), 2005

11

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA El subsistema de electrificación se encarga del transporte y la distribución de la corriente eléctrica de tracción. Sus elementos básicos son la catenaria, los postes de soporte y las subestaciones.

1.1.5. Sistema de control de tráfico.

Incluye un conjunto de elementos (señalización , sistemas de ayuda a la conducción , sistemas de bloqueo, enclavamientos, etc.) que aseguran la circulación de los trenes por la

línea evitando el riesgo de accidentes, de forma que se garantice la seguridad y se aproveche al máximo la capacidad de transporte de la línea ferroviaria. Hay distintas modalidades; actualmente, uno de los más avanzados y eficaces es el bloqueo automático con control de tráfico centra lizado.

1.2. Unidades de medida del tráfico ferroviario. A continuación se incluye la definición de las principales unidades de medida del tráfico ferroviario:

•

TBC (Tonelada Bruta Completa). Es el número de toneladas que pesa el tren completo (material motor y remolcado)

•

TBR (Tonelada Bruta Remolcada). Es el peso en toneladas del material remolcado (coches o vagones, incluida la carga) que arrastra la locomotora.

•

TKBC (Tonelada Ki lómetro Bruta Completa). Se obtiene multiplicando el peso total del tren por la distancia que recorre.

•

TKBR (Tonelada Kilómetro Bruta Remolcada ). Es el producto del número de toneladas remolcadas (T BR) por el número de kilómetros recorridos.

•

VK (Viajeros kilómetro). Es el producto del número de viajeros que lleva un tren por los kilómetros recorridos.

•

TK (Toneladas Kilómetro ). Es el producto de las toneladas netas (a veces también se denomina TKN) que transporta un vagón de mercancías por el numero de kilómetros recorridos.

12

CAPíTULO l. - INTRODUCCIÓN •

Tren kilómetro , vehículo kilómetro. Corresponde al desplazamiento de un tren a lo largo de un ki lómetro

•

lBR/tren (Carga Bruta Remolcada por Tren ). Se obtiene por el cociente entre las TKBR y el número de trenes· km que le corresponda.

•

TSC/tren (Carga Sruta Completa por Tren ). Se obtiene dividiendo las TKSC por el número de tren-km correspondiente

•

TKBRfTK. Es un indice que refleja el peso tota l del tren necesario (excepto la tracción) para mover una carga neta. Normalmente se sitúa en torno a 1,5.

•

Densidad de Remolque. Es la relació n entre el total de TKSR que circulan por la red

y el numero de kilómetros de dicha red.

2_HISTORIA DEL FERROCARRIL EN ESPAÑA. 2. 1. Los origenes del f errocarril en España. El ori gen del ferrocarril se sitúa en Inglaterra, a principios del siglo XIX. En esta época se usaban en las minas carriles de hierro para mover las vagonetas, que eran arrastradas por caba llerías (tracción de sangre). Tras el invento de la máquina de vapor, Stephenson aplicó ambas tecnologías (tracción vapor y carriles) para diseñar una locomotora (l a "Rocket") que remolcab~

un conjunto de vagones sobre carriles de hierro. De esta forma este ingeniero

construye la primera línea de ferrocarril, entre la ciudad minera de Stockton y el puerto fluvial de Darlington, un tramo de 25 kilómetros constru ido en 1825. Después, en 1830 se construye la primera linea ferroviaria de larga distancia, entre Manchester y Liverpool , com enzando la era de los ferrocarriles. Poco después este nuevo medio de transporte comienza a implantarse en la Europa continental. En España la primera solicitud de concesión para la' construcción de una linea ferroviaria se realiza en Andalueia , entre Jerez y el muelle del Portal en 1829 (6 km) para la exportación de vinos a Inglaterra , pero no llegó a construirse . De forma similar a este primer intento, se solicitaron diversas concesiones, paro la falta de financiación hizo que no se materializasen.

13

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA El primer ferrocarril español se construye en Cuba en 1837, entre La Habana y Bejucal (28

km ). Este primer tramo formaba parte de la linea La Habana-Puerto de Güines, destinada al transporte de caña de azúcar. Mientras tanto, en España se suceden multitud de solicitudes para la construcción de líneas de ferrocarril por lo que en 1844, ante la falta de posición del Estado frente a este medio de transporte, se encarga un informe a los ingenieros Subercase y Santa Cruz, que luego derivó en una Real Orden (una ley) reguladora de los ferrocarriles españoles. Se basaba en la experiencia de las primeras realizaciones ferroviarias en otros países y tuvo gran importancia en muchos aspectos, especialmente en los técnicos. Las recomendaciones de la ley fueron las siguientes: •

Sistema de financiación combinado entre privado e iniciativa pública: admitía la conveniencia de que fuera el Estado quien construyera los ferrocarriles , aunque en caso de que no fuera posible, se consideraba aceptable que participase la iniciativa privada (si se conciliaban en cierto grado los intereses privados con los públicos).

•

Aspectos técnicos: Fija los gálibos de túneles, inclinaciones y radios de curva, ·etc. y lo más importante, fija el ancho de vía en 6 pies castellanos, equivalentes a 1,67 metros, diferente del ancho que se estaba imponiendo en Europa, de 1,43 metros. La razón de este ancho fue lo complicado del relieve de la Península Ibérica, y por ello la dureza del trazado de las líneas ferroviarias españolas. Se estimó entonces que se necesitarían locomotoras de vapor muy potentes, lo cual era cierto, y a partir de esa observación se decidió que al necesitar calderas de vapor más grandes para ganar en potencia había que aumentar también la distancia entre sus ruedas, para dar mayor estabilidad al conjunto. Pero esta última apreciación no era del todo cierta, ya que por un lado existen otros métodos para aumentar la potencia de la locomotora sin aumentar el tamaño de la caldera (aumento de la presión en la misma, etc.) y por otro, a igualdad de distancia entre las ruedas , la estabilidad de la marcha no se ve comprometida por un ligero aumento en el diámetro de la caldera (un ejemplo son los ferrocarriles suizos, que con un relieve aún más dificil que el español adoptaron el ancho de 1,43 m e incluso la via métrica para su red ferroviaria).

A partir de esta ley empieza el desarrollo de los ferrocarri les españoles: empiezan a construirse varias líneas, como Madrid-Albacete, Barcelona Martorel1, Valencia Játiva, de forma que en 1855 están construidos todos estos tramos, con un total de 305 kilómetros de

14

CAPíTULO I.-INTRODUCCION red. Además , se aprueban las concesiones para muchas otras lineas, que no se construyeron. Las primeras líneas en ¡naugurarse fueron Barcelona· Mataró en 1948 y Madrid-Aranjuez en 1851.

2.2. La creación de las grandes compañ ias ferroviarias. Tras el golpe liberal de 1854, el gobierno de Espartero promulga en 1855 Ley General de Ferrocarril es, que daba a los capitales extranjeros grandes facilidades para que invirtieran en España , como subvencion es del Estado y libre importación de materiales (lo que hizo que se desarrollara la industria de otros países en detrimento de la española). Esto supuso el nacimiento a partir de 1856 de las grandes compañías ferroviarias, que dieron un impulso definitivo a la construcción de la red. Estas compañías privadas construían y explotaban su red ferroviaria. Las más importantes eran: •

M.2.A. (Madrid·Zaragoza-Alicante): Sus lineas más importantes eran las líneas Madrid-Zaragoza,

Madrid-Alicante

y

Córdoba-Sevilla.

Su

capital

era

mayoritariamente francés. Posteriormente su red se fue extendiendo por Andalucía , Extremadura y Levante. •

Compañía de los Caminos de Hierro del Norte de España. También de capital mayoritariamente francés, nace en 1858 con la concesión de la línea Madrid-Irún y posteriormente comienza su expansión en Cataluña, y acceso a los puertos de la cornisa cantábrica.

Hasta casi una veintena de pequeñas compañías stJrgieron en los años siguientes a la promulgación de la Ley de 1855. Se citan a continuación algunas de ellas: •

En 1887 se crea la Compañía de Ferrocarriles Andaluces, de capital español y francés. Esta compañía se constituyó mediante la unión de varias líneas andaluzas, bajo los auspicios del ingeniero Jorge Loring.

•

La compa ñía catalana Tarragona -Barcelona-Francia (T. B.F.), que agrupó a las compañías que tenían concesiones de líneas en Cataluña. En 1889 fue absorbida por M.Z.A.

•

La compañía Almansa-Valencia -Tarragona.

15

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

LA COR UA

_ _ _ 1855 _ _ 1860 gRANADA

- - - 1865 - - - 1875

MALAGA

Fuente: Lorente (2004) Figura 1.5. Crecimiento de la red de ferrocarriles española hasta 1875

2.3. La expans ión de la red. De esta forma, las compañías ferroviarias dan un fuerte impulso a la construcción de la red ferroviaria española, que va adoptando una configuración marcadamente radial. En 1865 la red alcanzaba ya unos 5.000 km.

En 1877 se promulga una nueva Ley General de Ferrocarriles, que supone un nuevo impulso a la construcción de la red de ferroca rri les, al proponer la construcción de 3.300 km de nuevas líneas para conseguir una red mas mallada y extender la red hacia el oeste de España. Esta Ley también reguló las líneas de vía estrecha (generalmente, con un ancho de un metro), lo que propició su expansión, ya que permitía reducir costes de construcción y explotación. Se produce un proceso de absorción de las pequeñas compañías que tenían concesiones de tramos cortos por parte de las grandes. De esta manera, a finales del siglo XIX se disponia en España de una red de 13.168 km.

16

CAPíTULO 1.- INTRODUCCiÓN

LA COR UA

_

M.Z.A.

_

Norte

- --A /\ndaluces

_

Oeste

_ _ _ Otros Fuente : Lorenle (2004) Figura 1.6. la red española a finales del siglo XIX

Como puede apreciarse en el mapa, la red básica adoptó una forma arborescente, con grandes líneas troncales que se unían en Madrid y desde las que se derivan otras líneas hacia el resto de las capitales, pero sin llegar a formar una estructura mallada, excepto en el

valle del Ebro y en el Levante.

2.4. los primeros años del siglo XX. A finales del siglo XIX la red alcanzaba ya un total de unos 13.000 km (mas de 10.000 km en vía ancha y el resto en vía estrecha), un 90 % de la red existente en 1940. Esta red pertenecía principalmente a tres compañías: Norte, con 3.691 km, M.Z. A., con 3.670 km, y Andaluces, con 1.500 km. En los primeros años del siglo XX se construyen muy pocas líneas, exceptuando las de carácter local y de vía estrecha. Empiezan a introducirse avances técnícos tales como mejoras en las locomotoras, la aparición de los automotores, sistemas de bloqueo, encJavamientos, implantación de la doble vía , etc.

17

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Las grandes compañías sigu en con el proceso de absorción de otras pequeñas líneas, completando su red. En estos primeros años del siglo XX el ferrocarril es un negocio rentable , ya que hay estabilidad económica y crecimiento de tráficos, por lo que las compañías ferroviarias obtienen beneficios.

Pero a finales de la década de 1910 las compañías ferrovia rias entran en crisis, debido a una serie de factores: •

Frente al aumento de los tráficos , las instalaciones y el

m~terial

móvil se encontraban

muchas veces obsoletos, lo que aumenta los costes de explotación . Aumenta el endeudamiento de las compañías para hacer frente a las mejoras necesarias y, tras

la primera guerra mundial, aumenta el precio del ca rbón desde 34 pesetas por tonelada en 1913 hasta 102 pesetas en 1919, 10 que va a empeorar las cuentas de resultados de las compañías. •

Las tarífas no habían subído desde los primeros tiempos del ferrocarril , por lo que las compañ ías entran en pérdidas; en 1918 el Estado autoriza una subída de115 %, que de todos modos se revela insuficiente para compensar los elevados gastos de las compañías.

•

Por último, al acercarse el vencimiento del plazo de 99 años de algunas concesiones, las compañías son más reacias a las grandes inversiones necesarias en las líneas , ante la posibilidad de su rescate por el Estado.

Todo esto constituyó el llamado

~ problema

ferroviario", que provocó que en 1918 expertos y

técnicos se reunieran para intentar buscar una solución. Por primera vez, el entonces ministro de Fomento O. Francisco Cambó planteó que el Estado se hiciese cargo del ferrocarril a través de la nacionalización de la red y encomendara su explotación a las compañías ferroviarias . La solución a todos estos problemas se planteó a través del Estatuto Ferroviario de 1924, bajo la dictadura de Primo de Rivera. El estatuto incluía ayudas financieras a las compañías para la renovación del material móvil y la infraestructura. Aunque la ley preveía posibles aumentos de tarifas, el Estado prefirió ayudar a las compañías en forma de subvenciones. Como consecuencia del Estatuto se realizan importantes inversiones en infraestructuras, instalaciones y material móvil , y las compañías mejoran sus resultados económicos. De

18

CAPíTULO 1.- INTRODUCCiÓN todos modos, existen algunas que no salen de la crisis y son rescatadas por el Estado, con lo que comienza el traspaso de líneas privadas a propiedad publica. Así nació la Compañía

Nacional de Ferrocarriles del Oeste de España, que englobó una serie de pequeñas compañías y a la línea Madrid-Cáceres-Portugal, que estaba en quiebra. Asimismo, en 1926 se aprueba el Plan Preferente de Urgente Construcción de Ferrocarri les, en el que se proyectan hasta dieciséis nuevas líneas para complementar a las existentes (ferrocarril directo Madrid-Burgos, directo a Galicia, Jerez - Almargen, Baeza - Utiel, etc.), en total unos 3.000 kilómetros de red, pero es poco lo que se llega a construir, unos 600 km.

La crisis de 1929 propicia un nuevo rebrote del "problema ferroviario", de manera que las compañias vuelven a entrar en pérdidas, potenciadas esta vez por el aumento de las cargas sociales y de los salarios de los trabajadores. Todo esto provoca que, a pesar de los aumentos de tarifas autorizados por el Estado durante la II República, las compañías ferroviarias entren en quiebra. Por último, la Guerra Civil supuso la ruina total de las compaf'iías ferroviarias , ya que las líneas fueron intervenidas por los dos bandos y utilizadas como medio fundamental de transporte, lo que a su vez las transformó en objetivo militar de primer orden . El uso intensivo del ferrocarril durante la contienda, unido a la falta de mantenimiento y las agresiones que sufrió, provocó que tras la guerra gran parte del material móvil e infraestructura estuvieran inutilizables .

2.5. Los años de RENFE. 2.5.1. La creación de RENFE.

En 1941 el Estado rescata todas las compañías con vías de ancho 1,67 m y las agrupa en una nueva empresa pública: RENFE, acrónimo

~e

Red Nacional de los Ferrocarriles

Españoles. Para ello, el Estado compra los valores y obligaciones de las compañías y se hace el propietario de la red ferroviaria. En el momento de su creación, RENFE cuenta con 12.401 km de vía, procedentes de 23 compañías ferroviarias. Tras la guerra y la creación de RENFE, las labores primordiales eran; por un lado la reconstrucción y de las líneas y del material móvil para volver a tener la capacidad de tráfico anterior a la contienda y poder así ayudar a la reconstrucción del pa ís; por otro lado, la

19

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA propia constitución de una compañía única suponía un problema de difícil solución , ya que

RENFE heredó de las antiguas compañías más de doscientos modelos distintos de locomotoras (y muchos más de material remolcado), más de veinte reglamentos de ci rculación diferentes, una gran variedad de señales, etc. En 1949 se aprueba el Plan de Reconstrucción y Reformas Urgentes en la Red , cuyo objetivo era el de renovación y mejora de instalaciones y servicios, 10 que se realizó , renovando la infraestructura, acometiendo electrificaciones y adquiriendo nuevo material tractor y remolcado.

2.5.2. Los años cincuen ta.

Durante los años cincuenta continúa la reconstrucción del sistema ferroviario, ahora con la ayuda económica de Estados Unidos. Además , durante los años posteriores se van introduciendo importantes innovaciones técnicas, como los trenes Ta lgo, la via en barra larga soldada , tramos de doble vía, electrificaciones, nuevo material móvil (locomotoras eléctricas, automotores), modernos sistemas de control de tráfico, etc. Pero de todos modos, el aumento de las tarifas unido al auge del tra nsporte por carretera y el aumento de los costes de personal, hizo que el déficit de RENFE fuera aumentando enormemente, a la vez que los tráficos disminuían . El descenso del tráfico fue tal que en 1950 RENFE transportada el 60% de los viajeros-km de España, mientras que a finales de los 70 el porcentaje era únicamente del 9%.

2. 5.3. Los años sesenta. Entre 1964 Y 1973 se instauró el Plan Decenal de Modernización , siguiendo las directrices del Banco Mundial, que incluía la renovación de 7.500 km de vía , la progresiva sustitución de la tracción vapor por la diesel y eléctrica , el aumento de las líneas electrificadas, implantación de seis estaciones de clasificación, compra de nuevo material móvil (1.300 vagones, modernos automotores), eliminación de la tercera clase, mejora en los sistemas de seguridad y comun icaciones. Las ayudas del Banco Mundial se concentraban en la red existente, cesando la financiación para aquellas líneas que se encontraban en construcción aunque estuvieran casi terminadas (Santander. Mediterráneo, Baeza·Utiel, Talavera de la Re ina·VilIanueva de la Serena, Alcoy·Alicante, etc.), con lo cual éstas grandes líneas nunca vi eron pasar su tren inaugural. Con todas estas medidas, los resultados de explotación de RENFE mejoraron considerablemente, así como los servicios de transporte ofrecidos.

20

CAPiTULO l.-INTRODUCCiÓN

Figura 1.7. Viaducto de la línea Talavera de la Reina -Villanueva de la Serena. Guadalupe (Cáceres), 2005

2.5.4. Los años setenta.

Los objetivos de los planes de modernización en los años setenta fueron elevar la velocidad

a 140 km/h en la red básica, el aumento del transporte de mercancias y la mejora de los resultados económicos, pero con la crisis del petróleo de 1973 RENFE obtiene los peores

resultados de su historia , lo cual provoca un retroceso en actuaciones de mejora y consecuentemente en la calidad del servicio.

Frente a esta coyuntura, el Estado asume el déficit de explotación y el procedente de las cuotas de la seguridad social de los trabajadores, pero disminuyen las inversiones en infraestructura, las cuales tampoco puede acometer RENFE debido a su gran déficit, con lo que el servicio de transporte prestado muchas veces no responde a la demanda de la sociedad y por ello ésta deja de demandarlo, lo que a su vez "justifica" un recorte sucesivo de la aportación estatal al ferrocarril. Así pues, RENFE entra en un circulo vicioso de pérdidas, acometiéndose tan solo planes coyunturales para paliar la situación a corto plazo. En 1979 se firma el primer Contrato-Programa, como herramienta para controlar el déficit, según el cual el Estado se hace cargo de las inversiones y los gastos de explotación y RENFE se compromete a elevar la calidad de los servicios y a captar una mayor cuota de mercado. Las inversiones se centraron en la duplicación de vías, la implantación del sistema de ayuda a la conducción ASFA, adquisición de nuevos coches y la construcción de cortas pero muy importantes líneas de cerca nías. Pero estas

~ctuaciones

no resultan suficientes

para el relanzamiento del ferrocarril, y el déficit sigue creciendo.

2.5.5. Los años ochenta. A principios de los ochenta se aumenta la puntualidad de los trenes y la velocidad en los trayectos de largo recorrido , lo que lleva a ur. fuerte aumento del tráfico en este tipo de

21

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

tráficos. En estas fechas , el 41 % de la red esta electrificada, y la mitad de esta red electrificada es de doble vía. A mediados de la década, el 65% de los traficas de RENFE se concentraban en el 40% de la red, mientras que un 20% de la red tan sólo soportaba el 2% del tráfico. Por otro lado, la empresa estatal soportaba un elevado déficit y seguía perdiendo cuota frente a la carretera. En el nuevo contrato-programa de 1984 se propone que RENFE mejore servicios, contenga el gasto y mejore la productividad. El Estado por su parte, seguía financiando la empresa pÚblica y se comprometía a mejorar la planificación del sector transporte en general y las condiciones de competencia entre modos. Para contener el gasto y mejorar la productividad , el Estado anuncia que RENFE no se hará cargo de las líneas llamadas "altamente deficitarias", con lo que a partir del 1 de enero de 1985 se cierran 914 km de líneas (Baza-Almendricos, Jaén-Puente Genil , SantanderMediterráneo, etc.), otros 933 se cierran al servicio de viajeros , prestándose únicamente servicio de mercancías (Plasencia-Astorga, Valladolid-Ariza , etc.) y 637 se salvan gracias a las aportaciones económicas de las Comunidades Autónomas afectadas (Murcia-Águilas, Utrera-Bobadilla, Bobadilla-Granada, etc.). La razón que se dio para el cierre era su elevado déficit de explotación, pero lo cierto es que difícilmente podían ofrecer un servicio competitivo para captar demanda y asi mejorarlo, teniendo en cuenta que desde hacia décadas no se invertía en ellas, con lo cual el estado de la infraestructura y del material móvil que por ellas circulaba era pésimo. Por otro lado, el paso del tiempo está demostrando que muchas de estas líneas sí que tenían un mercado potencial, algo que se ha visto tras el apoyo de las Comunidades Autónomas interesadas y la búsqueda de una alternativa a la carretera (el eje transversal andaluz es un claro ejemplo). Por otro lado, una nueva subida de tarifas y el descenso de los precios de la gasolina, provoca que el tráfico de viajeros vuelva a descender. Ya en 1987 se aprueba el Plan de Transporte Ferroviario (PTF), que suponía una inversión de 2 billones de pesetas hasta el año 2000. Básicamente pretendía acondicionar toda la red básica para permitir velocidades de 160-200 km/h mediante la construcción de grandes variantes

en

los

principales

tramos

congestionados

(pu ertos

de

Despeñaperros,

Guadarrama y Orduña), elevación de la velocidad en corredores completos (MadridBarcelona-Valencia-Alicante) y duplicaciones de vía.

22

CAPiTULO 1.-INTRODUCCI6N

La gran cualidad que tenía el PTF es que era un plan integral, es decir, que suponía una mejora en gran parte de la red ferroviaria española, al aumentar por un lado la capacidad de la misma y por otro la velocidad. Pero desgraciadamente no llegó a materializarse: la decisión en 1988 de construir el nuevo acceso ferroviario a Andalucía según los parámetros

de alta velocidad absorbió prácticamente todo el presupuesto que iba destinado al PTF, con lo cual el resto de [a red no recibió las mejoras planeadas, e incluso vio recortados sus gastos en mantenimiento, lo cual provocó una import[.nte caída en la calidad del servicio y de los tráficos.

En cuanto al transporte de mercancías, RENFE suprime los trenes colectores y ofrece únicamente trenes puros e intermoda les.

2.5.6. Los años noventa.

Debido a los cambios urbanísticos y a la saturación de las carreteras, a finales de los años ochenta los tráficos de cercanías en

los

principales

núcleos

urbanos aumentan

espectacularmente, lo cual motivó la toma de decisiones al respecto . En 1990 se aprueba un plan de transporte de cercanías para incrementar la oferta, mejorar la frecuencia y la calidad , aumentando la capacidad en los tramos críticos, mejorar el control de tráfico, remodelar estaciones y comprar material móvil adecuado para estos tráficos. En este período se produjo un aumento del tráfico de cercanías de un 9% anual. Madrid genera el 53 % del tráfico, y Barcelona el 25 %.

Si la apuesta por la alta velocidad se iba a materializar en la discutible construcción de una sola línea aislada (Madrid-Sevilla), la decisión de invertir en la creación de unos modernos servicios de cercanías en las grandes ciudades contribuyó a mejorar enormemente la calidad de vida de millones de personas, al permitirles realizar los desplazamientos al trabajo sin utilizar el vehículo privado, que ya colapsaba las calles y carreteras de acceso. A partir de los años 90 el ferrocarril español va recuperando su prestigio frente a la sociedad española, debido al éxito mediático de la nueva línea de alta velocidad Madrid - Sevilla (cuando se habla de su "rentabilidad " tan sólo se tiene en cuenta los resultados de la explotación, sin considerar la amortización de la infraestructura ni del material móvil, y por otro lado, la linea se encuentra infrautilizada) y la muy positiva valoración que hacen los

23

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA usuarios del nuevo servicio de cercanías, caracterizado por una gran frecuencia y una altísima puntualidad. Respecto a los tráficos de mercancías, aumenta espectacularmente el transporte intermodal,

por lo cual el ferrocarril se va acercando a este pujante tipo de transporte, mediante la creación de terminales intermodales. Mientras tanto, RENFE opta por la "especialización " y potencia la "gestión comercial" como base de su actividad empresarial. Fruto de esta nueva fi losofía de empresa es la creación de las unidades de negocio (UN), cada una de las cuales ofrece un servicio diferenciado (Largo

Recorrido, Cercanías, Mantenimiento de Infraestructura, etc.). Con esta nueva organización se pretende mejorar la oferta, clarificar las cuentas de cada uno de los ámbitos en los que se trabaja y así captar una mayor demanda y reducir el déficit. Por otro lado, estos cambios eran obligatorios para adecuar el ferrocarril espaFiol a la nueva normativa impuesta por la Unión Europea. Otro de los objetivos perseguidos por la legislación ferroviaria de la Unión Europea era la separación de la gestión de la infraestructura ferroviaria de la prestación de los servicios de transporte. El fin último de este drástico cambio es la liberalización del transporte ferroviario, de ta l forma que distintos operadores (tanto públicos como privados) puedan utilizar las líneas de ferrocarri l (previo pago de un canon) y asi obtener un mayor beneficio social de esta infraestructura de transporte, que en muchas ocasiones se encuentra infrautilizada. Con la toma de esta medida, RENFE se transforma en mera operadora de transporte y se crea un ente público (GI F; más tarde ADIF) para la gestión de la red.

2.6. El ferrocarril español en el siglo XXI. En la actualidad, el ferrocarril español continúa con la "resaca " del AV E. Debido al impacto social de la construcción de la línea Madrid-Sevilla, los planes de infraestructura de los sucesivos gobiernos de la nación proponen actuaciones similares para la red ferroviaria: la transformación a alta velocidad de prácticamente todas sus líneas, ya que ninguna comunidad autónoma se conforma con menos y la alta velocidad se ha convertido en la promesa electoral por excelencia. Desde luego, sería estupendo contar con una red ferroviaria de tales características, pero las dificultades ante las que se encuentra el cumplimiento de este objetivo no son pocas: inversiones desorbitadas, larguísimos plazos

24

CAPíTULO 1.- INTRODUCCiÓN de construcción , disminución de inversiones en la red convencional y falta de continuidad

entre ambas redes. A continuación describe someramente la red gestionada por ADI F (anteriormente gestionada

por RENFE). En cuanto a su ancho de via: •

Longitud total: 12.808 km.

•

Red de alta velocidad (Ancho UIC): 1.010 km.

•

Red convencional (Ancho Ibérico): 11.759 km.

•

Red mixta (Ancho Ibérico- Ancho Internacional): 21 km.

•

Red de vía estrecha (Ancho Métrico) 18 km.

En cuanto a su sistema de tracción: •

Vía única electrificada 3.629 km.

•

Vía única no electrificada 5.236 km.

•

Vía doble electrificada 3.913 km.

•

Vía doble no electrificada 30 km.

Las líneas electrificadas soportan mas del 80% del trafico total de la red.

En cuanto a su velocidad máxima, tramos con velocidad: •

Superior a 200 km/h: 656 km.

•

200 km/h: 675 km.

•

Entre 140 y 160 km/h: 4.529 km.

•

Entre 100 y 140 km/h : 3.717 km.

•

Inferior a 100 km/h: 3.231 km.

25

DISEÑO Y CARA C TERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA En cuanto a la red de via estrecha , la mayor longitud es gestionada por FEVE, mientras que el resto es competencia de las comunidades autónomas. Los principales datos de la red de FEVE son: •

145 km de vía doble electrificada.

•

230 km de vía única electrificada .

•

890 km de vía única sin electrificar.

Mientras la red de alta velocidad avanza lentamente (en realidad, los esfuerzos se han concentrado en tres lineas: Madrid-Barcelona-frontera francesa , Córdoba-Málaga y MadridValladolid) se van instalando cambiadores de ancho para poder extender los beneficios de la misma . Por otro lado, se compran multitud de trenes de alta velocidad de muy distintas tecnologías y características, para adaptarse a la creciente diversidad de la red española. Aparte de la alta velocidad, se ha seguido invirtiendo en cercanias ante la creciente demanda social y, por primera vez, se ha realizado un importante esfuerzo inversor para mejorar los servicios regionales. La continuidad en la aplicación de la normativa común ferroviaria ha concretado aún más el papel de las UN de RENFE : algunas de ellas son subvenciona bies (cercanias, regionales) , mientras que otras tienen que ser autosuficientes (Grandes Líneas, Mercancías). Por último, el proceso de liberalización se ha traducido en la apertura de la red ferroviaria española a nuevos operadores, mediante la fijación de las condiciones de acceso y de un canon por la utilización de la infraestructura. Dive rsos operadores de mercancías ya han solicitado licencia , e incluso han contratado material móvil, mientras que RENFE ha optado por reducir los servicios y enajenar activos, lo cual ha provocado una importante caída de los tráficos. Por lo tanto, puede conGluirse que en los próximos años se esperan importantes cambios, como la terminación de importantes líneas ferroviarias , la puesta en funcionamiento de nuevos trenes y la aparición de nuevos operadores en el campo del transporte de mercancías.

26

CAPiTULO l. - INTRODUCCiÓN

PENíNSULA IBERICA IvfifS>Or¡ o 92) Re(! de ""che 1 668mm e~ "",,"OO. n 2003 UIICUO MA

•

Fuente : Lorenle (2004)

Figura 1.8. Red ferro viaria convencional de la Península Ibérica

2.7. Historia del ferrocarril en Andalucía. La construcción de las líneas de ferrocarril en And alucía se inicia en 1854, comenzando con

el tramo Jerez-Puerto de Santa María, que posteriormente se alarga hasta la ciudad de Cádiz. La siguiente linea fue en 1856 la Córdoba-Sevilla , finalizándose la década con la term inación de la línea Sevilla-Cádiz.

Hasta 1865 la Compañia M.Z.A. alarga su linea desde Córdoba hasta la meseta por Despeñaperros, y se construye el segundo eje de la región: el Córdoba-Málaga . A partir de estos dos ejes, la red se expande de forma arborescente, con ramales hasta Granada , la unión entre Bobadilla y Sevilla por Utrera y Osuna , y la co nstrucción desde Córdoba de una linea hasta las cuencas mineras cordobesas (Córdoba-Bélmez ).

27

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA La construcción se realiza por compañías privadas con gran presencia de capital extranjero,

y destinadas fundamental mente a conducir el tráfico de mercancías de los productos de la región, como el carbón de Córdoba, los vinos de Jerez, los cereales y aceites de la comarca

de Sevilla, etc., hasta los puertos de salida como Cádiz y Málaga. A finales de 1870, se ha construido gran parte de la red principal de Andalucía

A partir de 1870, se inicia un proceso de concentración de compañías y de final ización de

los ramales que restaban por completar en década anterior. M.Z.A. compra la línea

Córdoba -Sevilla y la prolonga hasta Huelva, y en 1877 nace la Compañia de los Ferrocarriles Andaluces, que busca absorber el conjunto de las líneas de la región. En 1880

ya controla 740 km de lineas, incluyendo la Córdoba-Málaga-Granada, la Sevilla-CMiz y la Sevilla-Bobadilla , así como la línea minera de Córdoba.

1J'i .

-

...

Figura 1.9. Esta ción de Linares (Jaén ), 2005. linea Vadollano -Linares , construida por M.Z.A.

De esta forma , a partir de 1880 compiten en Andalucía dos compañías , la M. Z.A en el eje del Guadalquivir y la conexión con la meseta y Andaluces, que monopoliza la circulación interior y hacia los puertos de exportación . Hasta finales de siglo, las nuevas líneas que se construyen son un intento por parte de la companía de Andaluces de hacer la competencia a la M.Z.A para restarle parte de tráfico con itinerarios alternativos. Rea liza las líneas Córdoba- Marchena, Algeci ras-Bobadilla, Puente Genil-linares , y la Compañía de los Caminos de Hierro del Sur de España construye la línea linares-Almería , dando salida a los

28

CAPíTULO 1.- IN TRODUCCiÓN productos mineros de la región hacia el puerto. Posteriormente, esta línea es comprada por Andaluces , que construye la conexión entre Granada y Moreda. A grandes rasgos , la red ferroviaria andaluza construida durante el siglo XIX se caracteriza por estar integrada por líneas destinadas al transporte de mercancí as (productos mineros y agrícolas) que muchas veces discurren alejadas de los núcleos de población. También son señas de identidad lo complicado de su trazado y la debilidad de su infraestructura, con vía y puentes que admiten reducidas cargas por eje. En el siglo XX, la construcción de nuevas líneas es muy reducida . Se fina liza la conex ión con Levante y el enlace con Ayamonte (sin llegar a construirse nunca el puente internacional para conectar con la red portuguesa ), y se constru yen varias líneas de vía estrecha. Los ferrocarriles andaluces sufren los mismos avatares que el resto de la red española, con alternancia de pérdidas y ganancias, culminando con la situación de quiebra tras la guerra civil , y la nacionalización de las compañías y su inclusión dentro de RENFE . Tras la guerra civil , se reconstruyen las líneas , y al comienzo de los años sesenta, se inicia el proceso de cierre de las líneas que no son rentables , debido a su mal estado, y en consecuencia el escaso tráfico de viajeros que captan , y porque las comarcas mineras a las que dan servicio han agotado sus recursos. De este modo, hasta nuestros días se han cerrados los ejes Linares-Puente Genil, Guadix-Almendricos, Huelva-Ayamonte, así com o otras líneas secundarias. A partir de 1985, el eje Sevill a-Granada-Almeria se mantiene como consecuencia de la financiación aportada por la Comunidad Autónoma , y actualmente se está adaptando a alta velocidad. En los itinerarios principales se ha realizado duplicación de vías, implantación de modernos sistemas de control de tráfico y electrificación , se ha construido la línea de alta velocidad Madrid-Sevilla , y se encuentra muy avanzada la nueva linea Córdoba-Málaga .

29

DISENO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

30

CAPíTULO 11. - EL TRAZA DO DE LA VíA

I

Tren "Miguel de Unamuno" (Salamanca/BilbaofHendaya-Barcelona) compuesto por locomotora 252+Talgo 111 en Tudela (Navarra). Agosto de 2005.

31

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

11. EL TRAZADO DE LA VíA 1. INTRODUCCiÓN. Para la definición de la posición geométrica de los carriles que forman la vía se emplean dos elementos geométricos: el eje de planta y el eje de alzado. El trazado en planta se definirá por el eje de la entrevía cuando se trate de doble vía , y por el eje de la vía si es vía única.

En el mismo se pueden distinguir tres tipos de alineaciones: rectas , que se definen por dos puntos o por un punto y una dirección, curvas circulares, que se definen por su centro y su rad io y curvas de transición , que se definen por su parámetro.

El desarrollo del perfil longitudinal (eje en alzado) se corresponde con el del eje definido en planta y representa al hilo más bajo (cota del carril más bajo), ya que el peralte exige en los tramos curvos una cota distinta para los dos carriles de la misma vía.

2. TRAZADO EN PLANTA. 2.1. Las curvas circulares. Una alineación curva circular puede ser definida mediante los siguientes parámetros:

R = Radio de la curva .

C = Centro de la curva. 2L = Longitud de la cuerda entre los R

puntos de tangencia.

= Flecha.

e

n

= Ángulo entre las dos alineaciones

rectas consecutivas. Fig ura 2.1. Elementos de las curvas circ ulares.

32

CAPiTULO 11.- EL TRAZADO DE LA ViA

Un problema ferroviario frecuente es el de conocer el rad io real de la curva que tiene una determinada vía que lleva mucho tiempo construida y que ha sufrido las cargas de tráfico , y consecuentemente ha podido deformarse, o bien el de conocer el rad io de una vía antigua de la que no se dispone plano alguno.

Si se aplica el teorema de la potencia, que dice que la potencia de un punto respecto una circunferencia es constante, o sea , es independiente de la recta que se tome como base para calcularla, se puede determinar el radio in situ . Así , tomando potencias respecto del punto donde se cruzan perpendiculármente el radio y la

cuerda, se tiene:

(2R- j ) j = L · L Como R toma generalmente valores del orden de 1.000 metros , y el valor de f cuand o se determina en cuerdas de 20 metros de longitud (que generalmente es la que se utiliza para realizar estas medidas in situ) está en torno a un valor máximo de 100 milímetros, se desprecia f frente a 2R, por lo que resulta:

2·R· j=L'

=>

L'

R=2j

Ejemplo: Si en una curva se obtiene una flecha constante de 50 mm en una cuerda de 20 metros, el valor del rad io de la curva es de:

R; 10"10 / (2"0,05 ) ; 1.000m El parámetro fundamental que define una curva es el radio. Debido a las características del eje montado, en una curva la longitud del carril interior es menor que la del carril exterior. Esto se compensa mediante la conicid ad de las ruedas, de forma que en una curva la fuerza centrífuga hace que la llanta exterior remonte ligeramente el carril, adoptando un radio de rodad ura mayor, y que la llanta inferior descienda, dando un radio de rodadura menor. Pero si el radio fuese muy pequeño, la pestaña de la llanta chocaría con el carril y ya no sería posible el desplazamiento del eje, prod uciéndose unos deslizamientos de la llanta sobre el carril, y consecuentemente unos elevados desgastes. En relación a los radios mínimos del trazado, se puede añadir lo siguiente:

33

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

•

Radio mínimo para la inscripción del material móvil: 100 m. Con radios menores el material no es capaz de recorrer la curva.

•

Radios históricos mínimos de la red española: 300 m.

•

V; 140 km/h:

R; 1.000 m.

•

V; 200 km/h:

R ; 2.300 m.

•

V; 250 km/h:

R; 4.000 m.

En general, en un nuevo trazado el radio mínimo viene impuesto por la velocidad deseada y por el confort del viajero.

2.2. El peralte.

2.2.1. El peralte teórico. Como consecuencia de la fuerza centrífuga durante el recorrido de las curvas, aparece una

aceleración transversal que sobrecarga el carril exterior, reduce el confort del viajero y que además puede afectar al estado de las mercancías transportadas. Para evitar estos efectos,

en las curvas se introduce un peralte, es decir, una sobre elevación del carril exterior respecto del interior. El peralte hace que el material rodante adquiera una inclinación al recorrer la curva, con lo cual aparece una fuerza hacia el interior de la curva que compensa el efecto de la aceleración centrifuga. Así contribuye a que las cargas se repartan entre los dos carriles, igualando su desgaste, y a aumentar el confort de los viajeros. En cualquier caso, el efecto más importante es la aceleración transversal soportada por el pasajero, y es la variable que limita la velocidad de circulación de los trenes en las curvas. Durante la circulación de un vehículo por una trayectoria curva las dos fuerzas actuantes son la fuerza centrifuga y su peso. Ambas fuerzas son perpendiculares entre sí y, en ausencia de peralte, no existiría ninguna componente que compensara la aceleración centrífuga que actúa sobre el viajero. Sin embargo, cuando hay peralte, el vehículo se inclina y el peso se descompone en dos componentes, una perpendicular al suelo del vehículo y otra opuesta a la fuerza centrifuga.

34

CAPiTULO 11.- EL TRAZADO DE LA ViA

Fe

H

s Figura 2.2 . Diagrama de esfuerzos sobre el material móvil en las curvas.

En la figura 2.2 se representan los esfuerzos que aparecen cuando un vehículo circula en una curva peraltada. Para el cálculo del peralte teórico necesario para equilibrar la fuerza centrífuga, hay que aplicar la condición de que la resultante de las fue rza s Fe Y P sea perpendicular al plano de la vía (en este caso el viajero no sentiría ninguna fuerza transversal). Para ello, la fuerza Po resultante de descomponer la del peso P en dos

componentes, una perpendicular al plano de la via (P,) y otra en la dirección de Fe (Po), debe ser igual a Fe.

Definiendo "H" (peralte de la via) y "s" (distancia existente entre los ejes de los carriles), y siendo "G" el centro de gravedad del vehículo y "b" el angula de inclinación del vehículo provocado por la presencia del peralte , se tiene para Fe Y Fa la siguiente relación :

H

tanfJ~ ­

s

Fe =

111 a

e

v'

= 111-

R

Po

~

P tan

fJ ~ /II g tan fJ

Igualando Fe Y Po se obtiene el peralte teórico para neutralizar el efecto de la fuerza centrifuga:

35

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA

v'

111-

R

=

mg tanfJ

::::>

v'

H

R

s

-=g

=>

H = sV

2

gR

Unos valores normales en líneas convencionales de ancho ibérico de la distancia entre ejes de los carriles (s) y del peralte (H) son 1,74 m y 160 mm respectivamente , luego se tend ría

que para esos ordenes de magnitud el ángulo, el seno y la tangente prácticamente coinciden: tan ~

=0,16/1, 74 =0,0919; ~ =0,0916; sen ~ =0,09156

Si se tiene una curva con un peralte dado H, se deduce que la aceleración transversal máxima que compensa dicho peralte toma un valor de:

H

a, = g -

s

2.2.2. Las situaciones reales.

En las condiciones reales de circulación se tiene que una vez construida la vía con un peralte determinado, no todos los trenes circulan a la veloc idad teórica para la que se ha

calculado el peralte , debido a que hay pesados trenes de mercancías que circulan más despacio y trenes de viajeros que son más rápidos y ligeros. En la práctica , la neutralización de la fuerza centrifuga por medio del peralte solamente puede conseguirse en una línea de tráfico exclusivo (por la que circulen trenes de las mismas caracteristicas siempre en las mismas condiciones ). Un acercamiento a este caso se produce en las líneas exclusivas de cercanías y de metro, en las cuales existe un tráfico exclusivo de trenes de viajeros y los automotores son lo suficientemente potentes como para mantener la misma velocidad estando llenos o vacíos. Por lo tanto , en las circunstancias habituales de circulación , aparecen dos tipos de situaciones: •

Insuficiencia de peralte: Es la situación que se produce cuando el tren circula a mayor velocidad

que la velocidad de equilibrio del peralte. En este caso , la

aceleración centrífuga causada por la velocidad del tren en la curva es mayor que la

36

CAPíTULO 11.- EL TRAZADO DE LA VíA

que el peralte es capaz de compensar, es decir, el peralte es insuficiente para compensar la aceleración transversal del tren al circular en curva.

La aceleración transversal resultante será igual a la aceleración centrifuga menos la aceleración que compensa el peralte. Por convenio de signos, se toma como aceleración positiva la que esta dirigida hacia el exterior de la curva.

Exceso de peralte: Es la situación que se produce cuando el tren circula a menor velocidad que la velocidad de equilibrio del peralte. En este caso, la aceleración centrífuga causada por la velocidad del tren en la curva es menor que la que el peralte es capaz de compensar, por lo tanto hay una aceleración no compensada dirigida hacia el interior de la curva. En esta situación, la aceleración transversal no compensada tiene un valor (negativo) de:

~ ( V2

a flC

R

_gHs J

< O

2.3. Limitaciones al peralte. Con el objeto de mantener el máximo confort posible para el viajero y de limitar los problemas de la vía y de los vehículos , es necesario establecer una serie de limitaciones al peralte.

Como se ha visto con anterioridad, la aceleración transversal que sufre un vehícu lo cuando circula por una curva de radio R y peralte H a una velocidad V, viene dada por la siguiente expresión:

v = Velocidad de circulación en la curva (mis); R = Radio de la curva (m);

37

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA g ; Aceleración de la gravedad (9,8 mis'); H ; Peralte de la curva (m);

s ;;; Distancia entre ejes de carriles.

2.3.1. La aceleración trans versal máxima admisible. Los trenes de viajeros generalmente circulan a la mayor velocidad posible, de forma que el límite del peralte lo impone el confort del vi ajero. Existe un limite maximo de la aceleración

transversal que puede sufrir un viajero sin sentirse incómodo. Estas aceleraciones tienen dos orígenes distintos, los cuales se superponen durante la rodadura : •

La ca lidad de la vía: Debido a las pequeñas irregularidades de la vía y los defectos

de alineación

y nivelación, junto con el movimiento de lazo, durante el

desplazamiento del material sobre la vía se produce un espectro continuo de mini aceleraciones de caracter aleatorio, que se superponen a la aceleración causada por al fuerza centrifuga. •

La insuficiencia de peralte: La insuficiencia de peralte en la vía genera en el viajero unas aceleraciones transversales no compensadas, debido a la fuerza centrífuga.

El viajero comienza a notar los efectos de la aceleración transversal a partir de un valor de

0,9 m/s2 , siendo intolerable para valores del orden de 1,8 m/s 2 . El límite máximo admitido es de 1,5 m/s2 , sumando todos los efectos. Si la vía es muy buena , con carril continuo, bien nivelada y sin irregularidades, los efectos de las irregularidades se pueden cuantificar en una aceleración de 0,3 m/s 2 . Sin embargo, si la vía es antigua, con irregularidades y de mala calidad , estos efectos hacen que la aceleración suba hasta 0,5 o 0,6 m/s'De este modo, la máxima aceleración transversal no compensada por el peralte se limita, por razones de confort en el viajero, a 0,9 m/s 2 en caso de vías normales y hasta 1,2 m/s2 en vias de alta calidad. RENFE impone un limite de 0,9 mis' . a v.a¡ero

= 0,9 m/s

2

(vías normales) (vias de gran calidad)

38

CAPíTULO 11.- EL TRAZADO DE LA VíA

2.3.2. El efecto de las suspensiones. La suspensión de los vehículos, aunque es necesaria para la circulación, hace que se produzca un aumento de la insuficiencia de peralte.

En las curvas, el amortiguador exterior se

comprime, mientras que el interior se alarga, por lo que el peralte de la caja del vehículo es menor

Fe

que el peralte en el plano de la vía. De esta forma , el viajero percibe un aumento de la insuficiencia de peralte. Este efecto se mide por el coeficiente de flexibilidad "f", que toma valores

entre f = 0,2, para vehículos con suspensiones duras y f = 0,4 para vehículos con suspensiones normales. s Figura 2.3. Efecto de las suspensiones.

Las expresiones obtenidas anteriormente se refieren a la aceleración que sufre el conjunto del vehículo, por lo que éstas deben particularizarse para calcu lar la aceleración transversal que sufre el pasajero. Así , la expresión de la máxima aceleración transversal no compensada que actúa sobre el viajero viene dada por: l

a /){J r

;o

m

z

"TI

rn

-t

;;O

en

e

m -t

~ > e N

O

W;~3¡\

omano'tr'

4.2. Parámetros para líneas de alta velocidad . Se indican a cont inuación las limitaciones geométricas (según el ADIF ) que debe cump lir el

trazado en planta y alzado de lineas de ancho UIC (1 .435 mm). ta nto para tráfico mixto como exclusivo de viajeros , y con velocidad máxima de proyecto comprendida entre 200 y

350 km/h,.

61

Rl I

1VJ !'2 rn 200 km/h .

ALlNEACION RECTA 090

{~ I

~

,

j

1 668

Q.Q 200 km / b

Fuente: Lorenle (2004) Fi gura 3.2. Sección tipo de una línea ferroviaria con vía convencional. Vía llnica y vía doble

69

DISEÑO Y CARAC TERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA

2.6. Anticontaminante. Si la plataforma es de muy mala cal idad (elevado contenido en finos, etc.), se intercala un anticontaminante (geotextil ) entre el subbal asto y la capa de forma de la plataforma, lo que protege a las capa s de asiento de la contaminación con materiales indeseables.

3. LA VíA EN PLACA. Históricamente se le ha venido exigiendo al ferrocarril transportar mayores ca rgas a mayores velocidad es. Para ello se ha desarrollado un tipo de vía mas resistente y rígida que permite estos incrementos sin que se disparen los costes de mantenimiento. Este tipo de vía es conocido como vía en placa , y consiste básicamente en sustituir el balasto por una losa de hormigón armado. Esta losa puede ser prefabricada , pero lo normal es que se construya ~i n

situ ", mediante encofrado desli zante. El resto de elementos son similares a los de una vía

convencional (siempre se utiliza trav iesa de hormigón, normalmente bibloque), con la excepción de un elemento extra : el elastómero (material plástico derivado del petróleo), que se introduce entre la traviesa y la losa , y que sirve para aumentar la flexibilidad del conjunto. La vía en placa se utiliza en algunas lí neas de alta velocidad (sobre todo , cuando se quiere reducir el gasto en mantenimiento y escasea el balasto), estaciones, túneles, puentes, etc.

Fuente: Vía Líbre Figu ra 3.3. Via en placa

70

CAPíTULO 111.- LA VíA FERROVIARIA

4. COMPARACiÓN VíA CONVENCIONAL I VíA EN PLACA. Como se ha comentado en el apartado anterior, la vía en placa aparece como alternativa a la vía convencional con el objetivo de disminuir los gastos de mantenimiento y alargar la vida útil, ya que la vía convencional se deteriora antes con el paso de grandes cargas a grandes velocidades (principalmente en lo que a conservación de la geometría se refiere). Frente a esta y otras ventajas , la vía en placa presenta una serie de inconvenientes. Por ello, desde los años sesenta diversas administraciones ferroviarias (sobre todo en Japón y Alemania ) han investigado para minimizar los inconvenientes de este sistema . En España, el primer tramo experimental de vía en placa se instaló en el tramo Ricla-Calatorao de la línea MadridZaragoza en 1975. Estas investigaciones, junto a su utilización en determinadas líneas, han permitido mejorar el sistema , con lo cual sus inconvenientes se han minimizado y puede decirse que hoy en día , la vía en placa es una alternativa viable a la vía convencional en determinados casos. Se citan a continuación las desventajas:

Fuente: lhWW.tranvia .org Figura 3.4. Via en placa del tramo Ricla-Calatorao (Zaragoza)

71

DISENO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA

•

Elevado coste de construcción (en torno al doble que la vía convencional).

•

Gran rigidez. En el caso del ferrocarril, los esfuerzos dinámicos son muy importantes. Por ello, es necesario que la vía tenga una gran elasticidad para amortiguar y absorber las cargas y que , tras las grandes deformaciones que se producen al paso del tren , la vía pueda recuperar su estado inicial sin quedar con deformaciones permanentes. Sin embargo, la vía en placa es muy rígida. La elasticidad de la vía en placa (siempre mucho menor que en la vía convencional) se confía a las sujeciones y a juntas elásticas entre los distintos elementos (normalmente al elastómero entre traviesas y losa). Asimismo, la plataforma de base debe ser muy resistente, ya que al ser tan rígida la vía en placa le transmite grandes cargas.

•

Fisuras: la vía en placa es una estructura muy sensible a los asientos; si el terreno asienta, puede fisurarse.

•

Drenaje. En la vía convencional el desagüe se confía a los huecos del balasto, mientras que en la vía en placa deben disponerse dispositivos específicos para evacuar el agua (canaletas y registros) .

•

Dificultad en la corrección de la geometría. En la vía convencional, su instalación y corrección geométrica durante las labores de mantenimiento es una tarea relativamente sencilla , mediante el bateo de la vía. Sin embargo, durante su construcción, la vía en placa debe instalarse en su posición exacta, ya que una vez instalada no puede moverse, lo cual requiere de maquinaria de gran precisión. Por otro lado, durante su vida útil, debido a su gran rigidez, la vía en placa mantiene durante mucho tiempo las características geométricas, pero si se deforma (principalmente debido a asientos que producen su agrietamiento) es muy costoso y complicado su arreglo.

•

Ruido. En el caso de la vía convencional el balasto disipa las vibraciones producidas por el paso del tren, por lo que los niveles sonoros son bajos. En la vía en placa las vibraciones se absorben menos, por lo que el nivel sonoro es mayor que la vía convencional. Actualmente se utilizan materiales de amortiguamiento acústico (elastómero en juntas, recubrimientos de hormigón poroso o gravilla) que reducen los ruidos.

72

CAPíTULO 111.- LA VíA FERROVIARIA Las ventajas fundamentales de la vía en placa son las siguientes:

•

La necesidad de un menor mantenimiento (lo que ocasiona menores costes y mas disponibilidad operativa), así como una mayor vida útil.

•

La sección de la vía en placa es menor que la de la vía convencional, lo que es una ventaja en los túneles, al ser menor la sección a excavar, y en los puentes, al ser menor la anchura de tablero necesaria. Otra ventaja de su instalación en túneles es que reduce la necesidad de mantenimiento en los mismos , operación más complicada de realizar que a cielo abierto.

•

Admite mayores cargas que la vía convenciona l, incluso a altas velocidades.

Teniendo en cuenta lo dicho anteriormente, los campos de aplicación la vía en placa son en general: •

Por su mayor coste, la vía en placa es muy poco utilizada en líneas convenciona les. Sin embargo, debido a las grandes cargas que se producen cuando se circula a gran velocidad , las vías de alta velocidad tienen elevados niveles de exigencia en cuanto a cargas a absorber y mantenimiento de la geometría. Para absorber mas cargas era necesario aumentar el espesor de la capa de balasto (lo cual en algunas ocasiones no es posible, debido a la escasez del mismo), y para mantener la nivelación se hacía necesario intensificar las operaciones de mantenimiento. Con la vía en placa se consigue una vía mas resistente, que soporta mayores cargas sin sufrir deformaciones permanentes, por lo cual es adecuada para la alta velocidad (sobre todo cuando se dan otras condiciones , como la escasez de balasto, la existencia de muchos túneles y puentes, etc.).

•

El trazado de las lineas de alta velocidad es muy rígido y exigente. Cuando la línea atraviesa un terreno montañoso se hace necesaria la construcción de un gran número de túneles y puentes. Estas obras de fabrica tienen una rigidez muy superior a la del terreno, 10 que provoca asientos diferenciales . Por ello, para evitar discontinuidades resulta adecuada la instalación de la vía en placa en todo el tramo.

•

La vía en placa también es adecuada para instalarse en estaciones de viajeros, ya que dota a la vía de una estética mas moderna y puede limpiarse faci lmente.

73

DISEÑO Y CARACTERiSTlCA S DE LA ViA FERROVIA RIA

5. INTERACCiÓN ENTRE lA VíA Y El VEHíCULO. Aparte de las características de la vía debido a la naturaleza de los materiales que forman sus elementos, la disposición geométrica de los mismos confiere un comportam iento peculiar a la interacción entre la vía y las ruedas del ferrocarril. A continuación se descri ben estos efectos .

5.1. Inclinación de los carriles (V). Los carriles no se colocan vertical es, sino que se inclinan un 5% (y = 1/20) hacia en interior de la vía para mejorar el contacto entre la rueda y el carril (las ruedas son troncocónicas con

ángulo de con icidad 1/20). Así se consigue aumentar la estabilidad (disminuye el riesgo de descarrilamiento por la aparición de una componente horizontal en la reacción de la vía ) y reducir el desgaste de ambos elementos. Esta inclinación se consigue mediante el cajeado de las traviesas.

5%

1m

Fuente: Lorente (2004 ) Fig ura 3. 5. Inclinaci ó n de los carri les y conicidad de las ruedas

5.2. Juego de la vía 0) . Se define como la diferencia entre el ancho de vía y la distancia entre las caras externas de las pestañas a 10 mm por debajo del plano de rodadura . Se introduce para permitir el desplazamiento lateral del eje en las curvas (lo cual mejora su inscripción ) y para evitar el

74

CAPíTULO 111. - LA VíA FERROVIARIA

continuo rozamiento entre las pestañas y los carriles (lo que produciría un desgaste excesivo y riesgo de descarrilamiento). Cada país adopta un valor; en España, j = 2*9 mm.

5.3. El eje montado. En los vehículos ferroviarios, ejes y ruedas forman un solo bloque, para así conseguir una mayor resistencia. Pero esta característica dificulta el paso del eje ferroviario por las curvas ,

ya que el camino por el carril exterior es mayor que por el interior, mientras que el número de vueltas es el mismo para ambas ruedas, lo que puede ocasionar patinajes y esfuerzos de torsión.

El diámetro medio de las ruedas es de 1 m, y son troncocónicas, de conicidad 1/20 (5%), similar a la inclinación del carril. La conicidad de las ruedas permite que al desplazarse lateralmente el eje a paso por las curvas (debido a la acción de la fuerza centrifuga) cada rueda adopte un radio distinto, lo que compensa la diferencia de longitud entre el carril exterior y el interior, permitiendo por ello el paso del eje por la curva. Para conocer la longitud de los carriles interior y la exterior hay que referirse a los radios de cada uno de los carriles. Siendo "en el semiancho de vía,

e el ángulo que abarca el arco de

la curva y R el radio (respecto al eje de la via) de dicha curva , se tiene: Longitud del carril exterior: Lext = Longitud del carri l interior: Unt ;

e (Rcurva + e)

e (Rcurva - e)

Entonces, el carril exterior tiene un exceso de longitud respecto al carril interior de valor : 1\L = Lext - Lint =

e (Rcurva + e) - e (Rcurva - e) = 2 e e

En una curva, al desplazarse el eje hacia el exterior, el radio de la rueda exterior aumenta en la misma magnitud que disminuye el radio de la rueda interior. Si en la recta la rueda tiene un rad io de rodadura r, al desplazarse hacia el exterior una distancia y, el nuevo radio de rodadura será: rext

=r + 1\r =r + y tan(v)

75

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERRO VIA RIA

Fuente: Lorente (2004)

Fig ura 3.6. Variación del radio de rodadura en las curvas

Siendo y el angula de conicidad de la rueda ( tan(y) : ór/y ). Como y es muy pequeño, puede sustituirse la tangente por el ángulo, resultand o: rext=r+ yy Análogamente , la rueda interior gira sobre un círculo de radio: rint

=:

r- yy

Por lo tanto, cuando se produce un giro completo del eje montado, el recorrido de cada una

de las ruedas es el siguiente: Rueda exterior:

lext : 2 TT rext : 2TT ( r + y y )

Rueda interior:

lint : 2 TT rint : 2TT ( r - y y )

La rueda exterior en cada giro del eje recorre un exceso de longitud respecto a la rueda

interior de valor: 1:lext - lint : 2TT ( r+ yy)-2TT(r-yy) :4TT y y

76

CAPiTULO 111. - LA ViA FERROVIARIA

El número de vueltas que necesitan las ruedas para recorrer la longitud de la curva es el siguiente:

Longitud curva Perimetra llanta

N

eR 2 J[ r

Por lo tanto , el incremento de recorrido de la rueda exterior respecto de la interior a lo largo de la

CUlVa

tiene un valor de:

eR

111=4J[ yy - 2J[r

2 yy eR r

Igualando el exceso de longitud del carri l exterior y la diferencia de recorrido de las ruedas se obtiene el desplazamiento lateral del eje (y) necesario para compensar la diferencia de longitud entre tos carriles:

2yyeR = 2ee => r

er

y =yR

Teniendo en cuenta que el rad io de las ruedas es de 0,5 m, el semiancho de la vía es de 0,834 m y la conicidad de las ruedas de 0,05, en una curva de rad io 1.000, el desplazamiento necesario presenta un valor de:

y

= 0,834 • 0,5 / (0,05 • 1000) = 0,0083 m = 8,3 mm

Por ello se adopta un va lor de j = 2*ymax = 2*9 mm

5,4, El movimiento de lazo. El punto de equilibrio de apoyo de las ruedas sobre los carriles se corresponde con su radio

nominal (r) y, normalmente, es el que se da en [as rectas. Sin embargo, al pasar por una irregularidad en la vía, o al salir de una curva, el punto de apoyo no es el de equilibrio, yel eje ferroviario va realizando una serie de oscilaciones hasta recuperarlo. Esto es lo que en la

bibliografía clásica ferroviaria se conoce como movimiento de lazo. Produce la oscilación lateral del vagón o coche de cola, lo cual a su vez puede causar incomodid ad en los viajeros

y choques entre la cabeza de los carriles y la pestaña, por lo que se han desarrollado estudios para limitarlo.

77

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA En una

alineación

recta,

existen

irregularidades

inevitables.

Dada

la

disposición

troncocónica de las ruedas , esto hace que cuando una rueda choca contra una irregularidad,

si se ve empujada hacia dentro, esto hace que la rueda opuesta ruede sobre un círculo mayor (fenómeno que también se produce a la salida de las curvas). Lo que produce un efecto de desplazamiento hacia el lado opuesto al primer movimiento. La sucesión de movimientos hace que el eje al moverse en una recta no siga una trayectoria recta , sino que describa una trayectoria seno id al.

Como se muestra en la figura , la rodadura del eje montado se puede asimilar a la de un bicono unido por las bases, cuyo ángulo en el vértice es equivalente a la conicidad de las ruedas. En un momento dado, el bicono está desplazado del eje de la vía una distancia

" y~ ,

y se apoya en los carriles en los puntos "n" y "m", cuyos círculos de rodadura correspondientes

se

materializan

por

las

circunferencias

n1-n-n2

y

m1 -m-m2 .

Cinemáticamente, la rodadura del bicono en ese instante equivale al giro del cono l-m1 -n1 n2-m2 sobre el eje 10.

e

1

y n2

Fuente: Lorente (2004 ) Figura 3.7. El movimiento de lazo

Entonces, I es el centro instantáneo de rotación del centro del eje curvatura de la trayectoria en ese punto.

78

y 10 es el radio de

CAPíTULO 111. - LA VíA FERROVIARIA La distancia 10 se demuestra que tiene el valor:

er 10=-

yy

Siendo y ;;; f(x) la ecuación de la trayectoria del centro del eje montado, y' será la tang ente a

la curva en dicho punto e y" es el radio de curvatura de la trayectoria en ese punto. Entonces se verifica que:

d 'y

dx '

=

p

=

la

=

yy er

d ' y + y y =0 dr 2 er

Por tanto, se deduce que:

d 'y Y Y + V' = O dI ' e r Esta es la ecuación de un movimiento armónico, cuyo movimiento se rige por las ecuaciones:

A. = 27r

¡;7

1/7

La longitud de onda A para los valores habituales de RENFE (e = 0,87 m, r = 0,5 m, V = 0,05) toma un valor de 18,5 metros. La amplitud máxima es de 4,5 mm, lo que nos proporciona una sinusoide muy achatada.

Este movimiento provoca aceleraciones indeseables que afectan al confort del viajero, choques y desgastes ondu latorios en los carriles. En algunas redes como en Aleman ia y en Japón, para aumentar la longitud de onda de este movi miento, se ha reducido la conicidad a

1:40. El valor de la máxima aceleración transversal es de y" = _w 2 Y = v 2 (y/er) y. Si la y máxima corresponde al juego de vía , la aceleración máxima tiene un valor y" = 5 10-4 V 2 .

79

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

6. EL ANCHO DE VIA. 6.1 . Definición. El ancho de vía es la distancia entre caras interiores de los carriles medida a una distancia de 15 mm por debajo del plano de rodadura. El ancho de vía es un parámetro que generalmente viene dado en cada red, puesto que es algo que ha sido establecido con la construcción de la línea.

6.2. Los distintos anchos de via. Existen multitud de anchos de vía, aunque unos están más extendidos que otros. En España (sin contar ferrocarriles mineros, industriales, etc.) existen tres anchos de vía distintos: •

Ancho ibérico A = 1.668 mm. Implantado en las líneas ferroviarias convencionales de España y Portugal. Anchos similares al ibérico están instalados en el 16% de la red mundial.

•

Ancho UIC, internacional ó estándar. A = 1.435 mm. Implantado en el 70 % de las líneas del mundo. La extensión de esta medida se debe a que era el ancho más uti lizado en la primera época del fe rrocarril , por lo que muchos países transformaron sus redes a dicho ancho cuando la longitud de red todavía no era excesiva como para poder acometer la remodelación . En España se utiliza ancho internacional en las redes de metro de Madrid y Barcelona , y se está implantando en las líneas de alta velocidad de nueva construcción para integrarlas en un futuro con la red europea.

•

Vía estrecha. Generalmente se denomina vía estrecha a todos aquellos anchos inferiores al internacional. El más extendido es la vía métrica (A = 1.000 mm ). España tuvo una gran longitud de líneas de vía estrecha, con muy diversos anchos (1 .220,1.000, 914,750,600 mm, etc.). Normalmente el ancho métrico se utiliza en líneas ferroviarias convencionales y tranviarias, y los inferiores para fun iculares, líneas tranviarias, mineras e industriales. Actualmente, después del cierre de muchas líneas y la transformación de otras, el ancho métrico es el que predomina en la red de vía estrecha española. El 14% de la red ferroviaria mundial es de vía estrecha.

80

CAPiTULO 111.- LA ViA FERROVIA RIA

Figura 3.8. Estaci ón de La Un ión (Murcia), en la línea de vía estrecha Cartagena-Los Nietos, 2004

6.3. Comparación entre la via ancha y la via estrecha . En principio, la gran diferencia de prestaciones (en cuanto a velocidad y capacidad de transporte) que ofrecen en países como España las líneas de vía estrecha con respecto a las de ancho superior no se justifican por la falta de estabilidad en la marcha que se deriva de una menor distancia entre ruedas.

La razón se encuentra en la propia génesis de las líneas de vía estrecha , que debido al consentimiento del marco legal que las regulaba , se construyeron ahorrando muchos costes (de hecho, tenían el calificativo de "ferrocarril económico"). Este ahorro en costes se consiguió ciñendo mucho mas el trazado de las lineas al terreno, con menores radios y mayores inclinaciones, y reduciendo la sección transversal , lo cual permitió ahorrar en movimientos de tierra, sección de túneles, etc. Lógicamente, la adopción de estos pobres para metros de diseño penaliza enormemente su explotación, ya que reduce la velocidad de circu lación y la capacidad de transporte. Por lo tanto, las limitaciones de las lineas de vía estrecha no deben asociarse a su ancho, sino que en su mayor parte son consecuencia de las restricciones impuestas por para metros co nstructivos.

81

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA Un ejemplo claro de que una linea de vía estrecha puede ofrecer tan elevadas prestaciones como las de ancho superior es la línea de alta velocidad de vía estrecha Super Exprés en Japón en la cual , utilizando los parámetros de diseño de las líneas Shinkansen (líneas de alta velocidad en Japón) respecto a trazado y gálibo de carga, se alcanzan hasta los 200 km/h. Se resumen a continuación las desventajas de la elección de la vía estrecha con respecto a un ancho superior:

•

La mayor desventaja de la vía estrecha es la dificultad de conexión con la red ferroviaria predominante en el país, que suele ser de un ancho mayor. Es necesario recurrir al trasbordo de personas y mercancías en aquellos casos que los traficas se mueven por ambas redes , lo cual aumenta el coste del transporte (se necesitan instalaciones complementarias y personal para realizar las operaciones de trasbordo ) y la duración del viaje.

•

Debido a la menor distancia entre las ruedas , la estabilidad de los vehículos en las curvas es algo menor, por lo que su velocidad de paso por las curvas también debe de serlo aunque, como se ha dicho anteriormente, lo que suele limitar la velocidad de paso por cu rva en las lineas de vía estrecha es lo reducido de su radio.

•

Debido a que las obras de fábrica y túneles se construyeron con una sección reducida (gálibo reducido), la sección transversa l de los vehícu los también suele ser menor, lo cua l limita su capacidad de transporte.

Como ventajas de la vía estrecha: •

Debido a la menor distanci a entre los carriles, la diferencia de recorridos por las ruedas en las curvas es menor. Esto facilita la inscripción del eje ferroviario en curvas de rad io reducid o, lo que hace que las líneas de vía estrecha sean muy adecuadas para trazados montañosos .

•

Dada su menor anchura , el vo lumen de movi mientos de tierra necesarios es menor. También la sección transversal de obras de fábrica y puentes puede reducirse , lo que supone un ahorro. Por último, también se ahorra en balasto y travi esas.

82

CAPíTULO 111. - LA VíA FERROVIARIA

6.4. Soluciones al problema de los distintos anchos de via. El ancho de vía es una característica ¡ntrinseca de cada red. Si dos redes ferroviarias tienen distintos anchos de vía , aparecen problemas de continuidad entre ambas. Este problema,

que ha existido desde los inicios del ferrocarril, se ha venido solucionando de distintas formas:

•

Trasbordo de personas y mercancías en los puntos de contacto entre redes de distinto ancho.

•

Cambio de ancho de la red: debido a su elevado coste y la dificultad que supone mantener el tráfico durante el proceso, solamente puede acometerse cuando la red es de pequeña longitud.

•

Material remolcado con ejes o bogies intercambiables. Consiste en cambiar la rodadura de coches o vagones en los puntos-frontera. Para ello se elevan las cajas de los vehículos medíante gatos hídráulícos, y se reemplazan las rodaduras. En España, la empresa de transporte de mercancías TRANSFESA fue pionera en su aplicación, que comenzó en 1960. Para viajeros se aplicó desde 1969, comenzando su explotación comercial con el expreso "Puerta del Sol" (Madrid-París) y el Sudexprés (París-Lisboa). Actualmente, en España, esta tecnología solamente se utiliza para trenes de mercancías.

•

Trenes con ejes de rodadura desplazable. Este sistema requiere la instalación de cambiadores de ancho en los puntos-frontera. A su paso por estas instalaciones los trenes cambian automáticamente de ancho, mediante el desplazamiento de las ruedas a lo largo del eje. Talgo es la empresa fabricante de material móvil de rodadura desplazable pionera en esta tecnologia. El Talgo 111 RO (rodadura desplazable)

comenzó

el

servicio

comercial · en

1968,

asignado

a trenes

internacionales entre España , Francia , Suiza e Italia. Actualmente existe otra empresa española fabricante de trenes de rodadura desplazable: CAF.

83

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERRO VIARIA

A

~ ~ B B Fuente: www.talgo.com Figura 3.9. Esquema del funcionamiento del sistema Talgo de cambio de ancho

84

CAPiTULO 111. - LA ViA FERROVIA RIA

Fotografía: J. Alguacil

Figura 3.10. Cambiador de ancho Talgo en Córdoba

•

Traviesa polivale nte (PR-9 0). Mediante su doble sistema de sujeción, permite el montaje de los carriles seg ún dos anchos de vía (ibérico e internacional).

•

Vía con tres carriles: se basa en el uso de traviesas (AM -OO) con el cajeado preparad o para recibir tres carriles. Los dos exteriores permiten la circulación de trenes de mayor ancho, y el interior, junto con el exterior mas alejado, permite la circulación de trenes de menor ancho de vía.

Fotografía: Oique

Figura 3.11. Vía con tres carriles en la: línea Olmedo-Medina del Campo

85

CAPiTULO IV. - EL CARRIL

( ~r~; j I '

,-

Tren de mercancías remolcado por la locomotora 269.014. Garin oain (Navarra), agosto de 2005

87

DISEÑO Y CARACTERisTICAS DE LA ViA FERROVIARIA

IV. EL CARRIL El carril es el elemento que mejor identifica al cam ino ferroviario. A continuación se describen sus funciones , características y comportamiento.

1. FUNCIONES. Las funciones del carril son las que a continuación se describen: 1. Absorber, resistir y transmitir a las traviesas los esfuerzos recibidos del material móvil

y los esfuerzos térmicos. Estos esfuerzos pueden ser de los siguientes tipos: •

Verticales: cargas estáticas (peso del material ), cargas cuasi·estáticas (las cargas

verticales producidas por el efecto de la fuerza centrífuga) y dinámicas (las producidas por el movimiento de los vehículos ).

•

Transversales:

producidos fundamentalmente

por la

fuerza

centrífuga

y el

movimiento de lazo. •

Longitudinales: esfuerzos térmicos y los debidos al arranque y frenado de los vehículos.

2. Guiar el material móvil. La interacción entre las pestañas de las ruedas y la cara interior de la cabeza de los carriles hace posible el guiado del tren. 3. Conducir el retorno de la corriente eléctrica de tracción. En las líneas electrificadas, la corriente eléctrica regresa a las subestaciones a través de los carriles. 4. Conducir corrientes eléctricas relacionadas con el sistema de control de tráfico y señalización. En algunos sistemas de control de tráfico ferroviario [os carriles forman circuitos de vía, que se cierran al paso de los trenes (a través de los ejes); de esta forma el sistema sabe que en un determinado tramo de vía hay un tren. También los carriles pueden ser portadores de una señal eléctrica que transmite información a [os trenes (señalización, incidencias, etc.) y viceversa. Esta señal es recogida por los trenes a través de antenas cercanas a los carriles. Para que no se solapen las corrientes (control de tráfico , señalización , tracción) , cada una de ellas tiene una frecuencia diferente.

88

CAPíTULO IV.- EL CARRIL

2. MATERIAL. En sus inicios los carriles se fabricaron de hierro, por lo que sufrían grandes desgastes y deformaciones. Por ello, a partir de 1870 pasaron a fabricarse en acero, material que resiste mayores cargas con menores deformaciones y desgastes, además de comportarse mejor con respecto a la corrosión. El acero es una aleación de hierro con diversos elementos (C, Mn , S), principalmente carbono. Se utilizan aceros del tipo perlita-ferrita. La aleación con el carbono y los otros elementos aumenta su rigidez y dureza, lo cual es bueno, pero también su fragilidad y dificultad de soldadura, lo cual es indeseable. Por ello se limita el contenido de e , Mn y S a menos del 0,9%. De esta fo rma, la tensión de rotura del acero se encuentra en torno a los 7.000-9.000 kg/cm'.

3. FORMA. Los carriles, entendiendo como tales elementos de apoyo y guiado, han existido desde la antigüedad, y son mucho anteriores al ferrocarril. A lo largo de su histo ri a, y por supuesto, desde la invención del ferrocarril , han sufrido multitud de variaciones en cuanto a forma y materiales. Se describe a continuación su evolución durante la época del ferrocarril.

3.1 . Sección variable . También conocido co mo "carril con vientre de pez", se fabricaba en hierro fundido y apoyaba sobre dados de piedra o apoyos metálicos. Su sección variable trataba de ceñirse a los esfuerzos a los que está sometido el carril, para así ahorrar material. La dificultad de su fabricación y los inconvenientes ya comentad os del material utilizado propiciaron que rápidamente se dejara de utilizar.

Fuente : Lorente (2004 ) Fig ura 4.1. Carril con vientre de pez

89

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

3.2. Sección constante. Teniendo en cuenta que las principales cargas a las que el carril se ve expuesto son cargas puntuales verticales, parece lógico que su sección óptima se aproxime a una doble T; también hay que tener en cuenta los efectos producidos por la rodadura de las ruedas: si la forma del ca rri l no se adapta a las mismas, los desgastes serán muy grandes. Estos condicionantes dan unas indicaciones generales sobre su forma . Por otro lado, la simplificación del proceso de fabricación y el desarrollo de la técnica de laminación impuso el carril de sección constante. El proceso de laminación consiste en hacer pasar el metal incandescente a través de rodillos giratorios acanalados que lo van comprimiendo para darle forma.

3.2.1. Carril de doble cabeza. Un carril que ha sido bastante utilizado (sobre todo en el Reino Unido) es el Bull-Head o de doble cabeza, que pretendía ser reutilizado dándole la vuelta tras el desgaste de la cabeza superior, pero las deformaciones y desgastes generados por el contacto con las sujeciones en la cabeza inferior no permitían su reutilización , por 10 que dejó de utilizarse.

Elaboración: A. Tamayo (2005)

Figura 4.2. Carril de doble cabeza

90

Figura 4.3. Via con carril de doble cabeza

CAPíTULO IV. - EL CARRIL

3.2.2. Carril Vignole.

Actualmente, el carril más utilizado es el carril Vignole , llamado así por el ingeniero que 10 introdujo en Europa (tambi én conocido como "carril de patín", había sido desarrollado por el americano Stevens). Se parece a una viga en doble T, pero adopta distinta forma en las alas: la superior es más gruesa para resi stir cargas y desgastes, y la inferior aplanada para dar estabilidad y repartir cargas. De acuerdo con esta forma, el carril Vignole cuenta con tres

partes diferenciadas: cabeza, alma y patín, cuyas funciones se describen a continuación.

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140

I

Fuente: Transfesa (2002) Figura 4.4. Carril Vig no[e

La cabeza es la parte destinada a entrar en contacto con las ruedas del material móvil y servir de superficie de rodadura. La parte superior, que es donde apoyan las ruedas , se denomina tabla de rodadura; las caras laterales hacen posible el guiado de las ruedas. Aunque debido a la naturaleza del acero pueda parecerlo, el contacto rueda-carril no puntual, sino que el material de ambos elementos se plastifica, de manera que la superficie de contacto adopta la forma de una elipse de 1 cm 2 de superficie aproximadamente, en la cual se llegan a alcanzar tensiones de hasta 15.000 kg/cm 2 (valor superior a la tensión de rotura del acero). Las plastificaciones que tienen lugar en el acero del carril por el contacto con la rueda se traducen en desgastes en la cabeza del carril. La experiencia en la utilización de carriles muestra que el contacto llanta-carril produce un perfil de equilibrio de desgaste, que se

91

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA aproxima a una superficie circu lar con un rad io de 300 mm, denominado radio de bombeo. Por lo tanto, la tabla de rodadura de los carriles no se fabrica plana, sino con una curvatura igual la inversa del perfil de desgaste, para que de esta forma duren más tiempo. Durante la vida útil del carril , las dimensiones de la cabeza deben ser tales que garanticen la resistencia a las cargas, a pesar del desgaste. La anchura de la cabeza debe estar comprendida entre 65 y 72 mm. Si la anchura fuese menor, se tendría una cabeza débil y frágil , mientras que si fuese mayor, las cargas se descentrarían excesivamente respecto al eje del carril. La altura debe ser tal que permita un equilibrio de masas entre la cabeza y el patín, condición que cumple el carril debido al proceso de fabricación. El alma se caracteriza fundamentalmente por su espesor, que debe ser capaz de resistir tanto los esfuerzos cortantes (las tensiones tangenciales se concentran en el alma) producidos por el apoyo de las ruedas como el desgaste debido a la corrosión. En la vía con juntas se realizan unos taladros en el alma en los extremos del carri l para albergar los tornillos de las bridas. El Patín se caracteriza por su anchura y por la forma y espesor de las alas. Cuanto más ancho sea , mayor será su resistencia al vuelco, y mejor será el reparto de las cargas a la traviesa , si bien hay que añadir que a este mejor reparto también con tribuyen las placas de asiento.

Fig ura 4.5. Carril Vi gnole sin mo ntar. Es peluy (Jaé n), 2004

92

CAPiTULO IV. - EL CARRIL 3.2.3. Carril de garganta.

La gran ventaja de este carril es que va embebido en el pavimento, y por lo tanto puede ser rebasado por el tráfico rodado . Por ello se utiliza en tranvías, puertos, terminales intermodales, etc.

FOlografia: M. Peña

Figu ra 4.6. Carril de garganta

Figura 4.7. Carril de garganta en El Campello (Alica nte), 2004

93

DISEÑO Y CARACTERisTICAS DE LA ViA FERROVIARIA 3.2.4. Carril Brunel.

Se utiliza en las vias de puentes-grúa y grúas móviles. Debido a que soporta grandes cargas que se mueven a muy baja velocidad y que están centradas, adopta una forma más robusta , con una cabeza y alma muy gruesas, que en la práctica se materializan en una sola pieza en forma de U invertida y se coloca verticalmente, sin inclinación. Normalmente se utilizan con ruedas de doble pestaña. ~

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'J Elaboración: A. Tamayo (2005)

Figura 4.8. Carril Bru nel

Fotografia: C. Sanz Figura 4.9. Carril Brunel. Puerto de Barcelona, 2003

94

CAPíTULO IV.- EL CARRIL

4. PESO. Es la característica fundamental de los carriles, ya que es el parámetro que en gran medida define sus características resistentes fundamentales. El carri l más pesado tiene una mayor sección transversal, lo cual le permite resistir ca rgas mayores y tener una mayor vida útil, ya

que tiene una mayor sección que desgastar. De hecho, los carriles se denominan por su peso en kilogramos por metro lineal. De este modo. se habla de los carriles tipo UIC-54 (54 kg/m). UIC-60 (60 kg/m). etc. Actualmente los UIC 54 y 60 son los más utilizados en España.

Ante la gran proliferación de tipologías de carriles en las distintas redes, la UIC ha estandarizado varios tipos, como son los UIC-54, UIC-60 y UIC-71. Además de la infiuencia de otras variables, cuanto mayor sea el tráfico previsto en la línea, más pesados deben ser los carri les. Las secciones de los distintos tipos aparecen en la figura 4.10 .

5. COMPORTAM IENTO. El comportamiento tensional del carril es muy complejo, y las tensiones que soporta tienen distintos orígenes: •

Tensiones de flexión debidas a la deformación de la vía al paso del tren .

•

Tensiones generadas en la zona de contacto entre la llanta y el carril, y que producen una elipse de 1 cm 2 de superficie en la que el material está plastificado. En esta zona las máximas tensiones tangenciales se localizan a una profundidad de unos 3-4 mm de la superficie de rodadura.

•

Tensiones tangenciales , debido a la carga puntual que suponen las ruedas. Se concentran principalmente en el alma .

• •

Tensiones de origen térmico. Tensiones residuales derivadas la fab ricación (tensiones residuales por el proceso de laminación, enfriamientos diferenciales, etc.).

•

Concentración de tensiones en torno a impurezas en el material del carril.

95

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

•

Tensiones debido a la presencia del carril en una curva, en la que tiene que deformarse para adaptarse al trazado de la misma.

72.2

14.3

10

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CARRIL UIC· 54

CARRIL UIC -60

Sección' 6934 .00 mm~ Peso: 54.43 K9/ m EQtI,libf;o Té,mICO: 1.666 MomenlOS de ine,c i~ : Ver1ical: 23 4 6.00 cm 4 Hor'lonl"': 417.50 cm' Módulos ,esistenles : Ver1ic,,' : 2 79 .19 cm) Ho,ilQn ta" 59.64 cm J

Sección: 7686 mm] Peso: 60.3 4 K9/ m EQu;lobr io téfm ico: 1.56 Momen tos de ine,ei,, : Ver1ic,,' : 3055 cm' Hor'l ont"l: 512 .90 cm' Módulos fuislel11es : Vertieel: 33 5.50 cm) Ho, izonl"' : 68.40 em J

76.5

Ir I ~!

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r,.Ib,J< ' '-'----:-:c------' I-:I 160 -

- - - - ' - " ' - - - --'

Sección' 9079 m m 7 Peso: 1 1.27 \(9/ m EQuilob"o térmico: 1.5 4 Momenlos de ine,e,, : Ver1 ic"l' 4 151 .66 cm" Honzontal: 735.06 cm' Módulos resistentes : Vertical ' 4 99.13 cm) Horizontal: 91 .90 cm)

CARRil UIC· 71

Figura 4.10. Sección y características de los carriles

96

4.1

CAPiTULO IV.- EL CARRIL En cua nto al estado tensional (tensiones normales) del carril debido a esfuerzos de flexión y

residuales, los resultados de diferentes estudios parecen confirmar que las tensiones residuales en el carri l siguen la siguiente distribución :

Fuente: Lorente (2004) Fi g ura 4. 11. Tensiones resi d ua les en el carril por el proce so de laminación

En la superficie de rodadura aparecen compresiones, que se transforman en tracciones a una profundidad de 10-15 mm. El resto de la cabeza está en tracción , mientras que el alma trabaja a compres ión y el patín también a tracción. A estas tensiones hay que sumarles las tensiones de flexión inducidas por el paso de los ejes ferroviarios, los cuales originan ciclos de tracción-compresión.

+

Fuente: Lorente (2004)

Figura 4.1 2. Tensiones normales en el carril

Este estado tens ional, unido al efecto de la fatiga (debido a la alternancia de los ciclos de tracción-compresión al paso de las ruedas), puede causar la aparición de una fisura interna

97

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA a una profundidad de 10-15 mm. Esta fisura interna puede ocasionar una fractura transversal que provoque la rotura frágil del carril.

6. DEFECTOS Y ROTURAS. A pesar de los controles que se llevan a cabo , siempre suele existir un determinado número de carriles que deben ser retirados del servicio antes del tiempo previsto para su reposición , debido a los defectos iniciales y a los que aparecen durante su vida útil. La s causas de estas prematuras reposiciones de los carriles son: •

Defectos debidos a la fabricación.

•

Defectos debidos al tráfico circulante.

•

Desgastes ondulatorios.

6.1. Roturas. Cuando se habla de rotura , no quiere decir que el carril se haya partido, algo difícil de ocurrir, sino que se han producido fisuras importantes que limitan sus propiedades (resistencia, seguridad, etc.). El 25 % de las roturas anticipadas se deben a defectos de fabricación, mientras que el 75% restante es debido al tráfico ci rcu lante, principalmente por fatiga del carril. En general, la probabilidad de rotura aumenta en las curvas, en las agujas y en las juntas, por choq ues de la rueda , así como en los túneles y zonas húmedas, por los efectos de la corrosión. También las roturas son más frecuentes en invierno, ya que el acero se encuentra traccionado y la resistencia a tracción del acero disminuye con la temperatura. Las principales roturas son las siguientes: •

Rotura de los extremos alrededor de los agujeros de las bridas, por fisuraciones radiales.

•

Rotura por fisura interior debido a una inclusión: a veces , durante el proceso de fabricación , quedan elementos extraños dentro de la colada. En elios se concentran las tensiones, y por ello pueden producirse grietas.

98

CAPiTULO IV. - EL CARRIL •

La piel de serpiente. En las zonas de arranque y frenado se producen patinajes, de manera que la zona de rodadura sufre un fuerte calentamiento, con la consecuente dilatación diferencial respecto a la zona inferior, lo que produce huellas y grietas .

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DefectO Ioc~ otodueoo1o DO< el 03t'*l'jf

Figura 4.13. Ejemplos de roturas en los carriles

•

Shelling

•

Roturas de las soldaduras. Si el acero conseguido en la soldadura no tiene las

O

descascarillamiento de la superficie de rodadura.

mismas característ icas que el de los carriles, aparecerán tensiones y deformaciones diferenciales entre ambos que provocan grietas y roturas .

99

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERRO VIARIA

Figura 4.14. Rotura del carril por aplastamiento

•

La mancha oval plateada. Es un defecto interno del carril que no se ve en el exterior. Normalmente tiene su origen en el proceso de fab ricación , por un enfriamiento ráp ido

del carril. Cuando el carril se enfría rápidamente. las zonas cercanas al exterior (patín, alma y contorno de la cabeza) se enfrían muy deprisa, mientras que el interior de la cabeza tarda mucho más. Este enfriamiento diferencial da lugar a la aparición

de acero de diferentes características en la sección del carril , 10 que provoca discontinuidades (en cuanto a resistencia , deformaciones, dilatación) que favorecen la aparición de fisuras internas que junto con los ciclos de carga-descarga pueden producir la rotura frágil del carril. La rotura frágil es la más peligrosa, ya que se produce de repente (no hay grandes deformaciones previas).

6.2. Desgastes. Se define como el cambio en las dimensiones del carril por la acción de las ruedas de los vehículos y del entorno donde se encuentra instalado. Existen dos tipos de desgaste: el desgaste normal y el desgaste ondulatorio.

100

CAPíTULO IV.- EL CARRIL

El desgaste normal u ordinario es producido principalmente por el paso de los trenes, y genera una disminución de la sección de la cabeza .

Fuente: Lorente (2004)

Figura 4.15. Desgaste normal u ordinario

Este desgaste es mayor en el carril exterior de las curvas , y puede reducirse engrasando los carriles y poniendo carriles más duros. El desgaste norm al (debido al tráfico) aumenta con: •

El peso de los vehiculos (ejes muy pesados).

•

Las cargas dinámicas (cargas a grandes velocidades ).

•

Trazado (peralte intermedio).

•

Defectos de la vía y la plataforma (aumentan las cargas dinámicas).

•

Defectos en la composición química de los carriles.

•

Defectos en el perfil de las llantas (planos en las ruedas).

•

Vehículos: tipo de suspensión, defectos en la suspensión o en los ejes (ejes frenados).

•

La corrosión.

El desgaste ondulatorio consiste en unas deformaciones ondulatorias de la cabeza del carril con longitud de onda constante. Este desgaste puede presentarse de varias formas:

101

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIA RIA a) El desgaste corto , consistente en una sucesión de manchas brillantes con una longitud de onda de unos 6 cm, y una profundidad de hasta 0,3 mm. Es un fenómeno que todavía

no ha sido explicado del todo, y que provoca un fuerte aumento de las cargas dinamicas, lo que se traduce en una gran degradación de los elementos de la vía, las traviesas y las

sujeciones , aumentando la res istencia a la rodadura y el ruido producido por el tren. b) El desgaste largo se produce en vías con una elevada carga de tráfico, y se presenta con

longitudes de onda de entre 0,5 y 2 metros, y amplitudes de hasta 4-5 mm. Ambos se corrigen con el amolado de la superficie, lo que incrementa la duración de los

carriles hasta en un 30%. Es una operación de mantenimiento normal. Tipos de desgastes ordinarios y su medición •

Desgaste lateral: se produce en el hilo alto de las curvas por el paso de los trenes rápidos , debido al contacto entre la pestaña y el carril, por efecto de la fuerza centrifuga

(insuficiencia

de

peralte).

Si

es

excesivo,

puede

producir

descarrilamientos. Es la diferencia entre el perfil de desgaste y la cara interna del

carril a 10 mm por debajo del plano de rodad ura.

A

~::3-!:\-----"v

10mm

Elaboración: A. Tamayo (2005)

Figu ra 4.16. Desgaste lateral

102

CA PiTULO IV. - EL CA RRIL •

Desgaste vertical: se mide sobre el eje del carril.

C9 ,, , ,

Elaboración: A Tamayo (2005) Figura 4.17. Des gaste vertical

•

Deformación plástica: es producido en el hilo bajo por los trenes más lentos y pesados, dado que están en situación de exceso de peralte y sobrecargan el carri l interior, generándose rebabas. La rebaba debe ser menor de 30 mm.

Elaboración: A. Tamayo (2005) Figura 4.18. Deformación plastica

•

Desgaste por corrosión. Afecta a las superficies expuestas del carril, sobre todo, al alma. Puede medirse por pérdida de peso, pérdida de sección, etc.

103

DISEÑO Y CA RACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA El desgaste de los carriles puede estimarse por una curva desarrollada en Alemania , que sirve para ca lcular el desgaste de un carril en función del tráfico que soporta.

cm' 10' TBC 4 i > 10%0

3

2

i < 10%0

200

600

1000

1400

1800

R (m)

Elaboración: A, Tamayo (2005) Fig ura 4.19. Desg aste del carri l exterio r en las cu rvas

Las fisuras y dos desgastes de los carriles deben controlarse. Un carril puede seguir siendo utilizable, siempre que estos defectos no sobrepasen unos valores máximos . Para ello se real izan controles tanto en fáb rica, como en vía. Los defectos internos se detectan por ultrasonidos (bien en fábrica , o mediante máquinas auscultadoras de vía) y los desgastes mediante técnicas láser.

7. DURACiÓN. La duración del carril depende de su proceso de desgaste, que a su vez depende principalmente del tráfico. Los criterios existentes para definir la vida útil de un carril se basan en permitir que el carril siga en servicio hasta que esté en su límite de resistencia a flex ión sin sufrir deformaci ones importantes. Un carril puede durar entre 20 (tráfico muy intenso) y 40 (tráfico débil) años en servicio. En general, los criterios para limitar la vida útil de carril coinciden en los siguientes aspectos: •

Las tensiones no deben superar los 15 kg I mm2 .

•

La pérdida de peso no debe ser superior al 20% del peso total del carril.

104

CA PíTUL O IV. - EL CARRIL •

Las deformaciones no deben ser ta n importantes que causen daños en elementos tales como suj eciones , juntas, etc.

Como ejemplo, puede citarse que para el carril UIC-54 se limita el desgaste vertical a 24 mm, el desgaste lateral a 18 mm y la suma de la mitad del desgaste lateral mas el desgaste vertical a 24 mm. Los sistema s para pro longar la vida útil de los ca rri les se utilizan sobre todo en las curvas , donde los desgastes son mayores, y consiste n en: •

Templado de la cabeza de los carriles: consiste en un tratamiento térmico de la cabeza en fábrica, lo que aumenta su dureza. Es muy caro y ya no se usa.

•

Debido a que el perfil de desgaste de los carriles exterior e interior en una curva es distinto, puede recurrirse a su cambio de posición, pasando los interiores al lado exterior y viceversa.

•

Engrasadores de pestana . Introducen un lubricante entre la pestana y la cara lateral del carril que disminuye el rozamiento entre ambos. También ayudan a facil itar el paso de los trenes por las curvas. Se instalan en un tramo de vía cuando tiene gran cantidad de curvas de radio reducido .

Figura 4.20 . Engrasador de pestañ a. El Ch orro (Málaga)

105

DISEÑO Y CA RACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA •

Utilizar ca rriles de aceros especiales, como el acero Hadfield, que con un contenido de mas de un 10% de manganeso, proporciona al carril una elevada dureza y una buena resistencia al desgaste. Estos tipos de aceros son utilizados en aparatos de vía, aunque presentan el problema de la soldabilidad , y además son muy caros.

Hoy en día , la práctica más extendida para prolongar la vida útil de los carriles es, simplemente, utilizar los más durables, es decir, los de mayor peso por metro lineal. En general , cuanto mayor sea el trafico más pesado debe ser el carril utilizado. Por ejemplo, si se siguen los criterios aconsejados por la ORE para los países integrados en la UIC, se tiene lo siguiente: Carriles recomendados por la ORE Tráfico

Carril recomendado

< 30.000 TBRldia

46 - 50 kg /m

30.000 - 60.000 TBRldia

50 - 60 kg/m (UIC-54)

> 60.000 TBRldia

Más de 60 kg/m (UIC-60 6 71 )

..

Tab la 4.1. Dimensionamiento del carn l en fu nclon del trafico

También existen diferentes formulas empíricas que relacionan el peso del ca rril con el trafico de la línea, la velocidad máxima de circulació n y la carga por eje de los vehículos, factores fundamentales de desgaste. Entre ellas se pu ede cita r la fórmula de Shajunianz:

q=a(I +T ''' )(I +O,O I2V)'

J ? l¡J

q ; peso del carril, en kg/m.

a = Parametro que toma un valor de 1,20 para el material remolcado y 1,13 para las locomotoras. T = trafico anual de la línea, en millones de ton eladas brutas.

v = velocidad maxima de circulación en km/h. P = carga maxima por eje del vehículo, en toneladas.

106

CAPiTULO V.- LAS TRAVIESAS

locomotora 319 remolcando un Talgo 111 Granada - Madrid. Moreda (Granada), 2005

107

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIA RIA

V. TRAVIESAS 1. FUNCIONES. 1.1. Traviesas . Normalmente se coloca una traviesa por cada 60 cm, lo que supone 1.666 traviesas por kilómetro de vía. Las funciones de las traviesas son las siguientes: 1. Servir de soporte a los carriles, para absorber y transm itir (minoradas ) las cargas del carri l al balasto.

2. Asegura r el mantenimiento del ancho de vía y proporcionar al carril la inclinación 1/20. Las traviesas tienen unos huecos con una forma especial, para que en ellos encaje el patín de los carriles y (a veces) las sujeciones. Por lo tanto, la forma y distancia entre estos huecos da la inclinación a los carriles y define el ancho de vía. En las traviesas de madera se consigue con el cajeado y en la s de hormigón con la forma que les da el molde.

3. Arriostrar la vía en todos los sentidos, proporcionándole estabilidad en los planos tanto ve rtical como horizontal. Su peso es lo más importante para cumplir esta función. 4. Aislamiento eléctrico, para evitar que la corriente eléctrica que circula por Jos carriles se derive a tierra.

1.2. Sujeciones. La s sujeciones son los elementos que mantienen unido el ca rril a las traviesas , y su misión

es absorber y transmitir correctamente los esfuerzos de todo tipo que circulan por los carriles a las traviesas. Por ello, el req uisito fundamental de la sujeción es que apriete el carril en todo momento, para que no se produzcan movi mientos del mismo con respecto a la traviesa. As í, deben garantizar el mantenimiento del ancho de via, evitar el vuelco del carril , asegurar el contacto entre el patín y la traviesa , impedir el movimiento longitudinal del carril yen caso 108

CAPiTULO V.- LAS TRAVIESAS de que sea necesario (traviesas poco aislantes), proporcionar el aislamiento eléctrico suficiente entre ambos hilos del carril (mediante la utilización de algunas piezas plásticas intercaladas). Se colocan más de 6.000 sujeciones en cada kilómetro de vía. Por ello, deben ser lo más senci llas posible, con pocas piezas y fáciles de fabricar, instalar y apretar, de colocación sencilla y precisa, de larga vida útil y fácil sustitución .

..

..

Figura 5.1. Carril con sujeción elástica sobre traviesa de hormigón. Espeluy (Jaén )

2. TIPOS DE TRAVIESAS Y SUJECIONES. 2.1. Traviesas. Las traviesas se clas ifican en función del material del que están hechas . Existen los sigu ientes tipos: •

Traviesas de madera .

•

Traviesas metálicas.

•

Traviesas de hormigón armado.

•

Traviesas de hormigón pretensado.

109

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

2.2. Sujeciones. Respecto a las sujeciones, las diferentes tipologías existentes se han ido desarrollando a la

vez que evolucionaron los diferentes tipos de traviesas, para conseguir los objetivos funcionales requeridos al conjunto a ambos elementos y a la propia vía, por lo que en los apartados siguientes serán explicadas junto a los distintos tipos de traviesas existentes. Se clasifican de tres maneras distintas, según sea la forma de anclaje a la traviesa: •

Directa: El elemento de anclaje a la traviesa es el mismo que proporciona el apriete del carril.

•

Indirecta: El carril se fija a una placa de asiento (en las traviesas de madera se suele llamar "cojinete") mediante un elemento, y la placa se ancla a la traviesa mediante otro elemento. La finalidad de esta placa de asien to es aumentar la superficie de contacto (para conseguir un mejor reparto de cargas) del carril sobre la traviesa (en traviesas de madera), mejorar el encaje de la sujeción en la traviesa (hormigón), aunque, según del malerial del que estén hechas también pueden contribuir a disminuir las vibraciones, aislar eléctricamente, etc.

•

Mixta. El ca rril se apoya sobre una placa de asiento. La placa de asiento se fija a la traviesa mediante los tirafondos de apriete y otros independientes.

DIRECTA

-.....-....... Cajeado

INDIRECTA

MIXTA

Elaboración : A. Tamayo (2005) Figura 5.2. Tipos de sujeciones según su unión a la traviesa

110

CAPiTULO V. - LAS TRAVIESAS Además, las sujeciones se dividen en rígidas y elásticas, en función de que la sujeción admita pequeños movimientos verticales del carril deformándose elasticamente o no.

Además , las sujeciones se dividen en rígidas y elásticas.

Al paso del material móvil se

produce un movimiento vertical (asiento de la vía), golpeteos, vibraciones y esfuerzos horizontales (en las curvas ). Frente a estas acciones, las sujeciones rígidas terminan por aflojarse, con lo cual la vía pierde su geometría. Sin embargo, las sujeciones el 28.000

Grupo 5:

28.000> TI, > 14.000

Grupo 6:

14.000> TI, > 7.000

Grupo 7:

7.000 > TI, > 3.500

Grupo 8:

3.500 > TI, > 1.500

Grupo 9:

1. 500> TI,

CAPiTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO e) El tipo de traviesa. Las traviesas utilizadas en España son fundamentalmente de madera y de hormigón. Las de

madera son más flexibles, reparten mejor las cargas, y por lo tanto requieren un menor espesor de las capas de asiento que las de hormigón . Por otro lado, la rigidez de las traviesas de hormigón disminuirá al aumentar la longitud de la

traviesa, por lo que traviesas cortas requerirán un mayor espesor de las capas de asiento para alcanzar una determinada flexibilidad en el conjunto de la vía.

5.2. Cálculo de los espesores de la capa de balasto y subbalasto. a) Método UIC. De la tabla 8.1. se puede obtener el valor de "E" (espesor total de las capas de asiento) en función de la categoría del suelo soporte y de la capa de forma colocada . La expresión Que determinará el espesor real a colocar

~e"

(suma de los espesores de [a capa de balasto y la

de subbalasto ) se obtendrá modificando el valor de "F

obtenido anteriormente mediante

una serie de parámetros, definidos en la tabla 8.2. , según la siguiente expresión:

e

=eb+esb = E - a + b - c + d

También puede ser empleado el ábaco que se muestra en la figura 8.4. para determinar el espesor mínimo de las capas de balasto y subbalasto, valor que viene dado en función del tráfico ficticio diario y del tipo de traviesa , válido para vias con separación de 0,60 m entre ejes de traviesas y carga admisible por eje de 20 t. En dicho ábaco puede observarse que el espesor total depende fundamentalmente del tráfico de la línea (caracterizado por el tráfico ficticio diario) y, en menor medida, del tipo de traviesa.

167

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

Figura 8.3 . Acopio de balasto. Monfragüe (Cáceres ), 2005

Parámetro

a

b

e

Valor

O 0,05

Grupo UIC 3

0 ,10

Grupo UIC 4,5 ,6 O grupos UIC 7,8,9 con tráfico de viajeros

0,15

Grupos UIC 7 , 8, 9 sin tráfico de viajeros .

O

Traviesas de madera de longitud> 2,6 m

(2, 50 - L)/2

Traviesas de hormigón de longitud L (m)

O 0 ,1

d

Grupos UIC 1 y 2 o V > 200 km/h

O

Valor normal Excepcionalmente para grupos U IC 7,8 ,9 Carga por eje < 20 t

0,05

Carga por eje S" 22 .5 t

0,12

Carga por eje s 25 t

0,35

Carga por eje;:;; 30 t

Tabla 8.2. Parametros para determinar el espesor real de balasto mas subbalasto

168

CAPíTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO 1-'4--'--+--'--+-"~+---'-+i

4 ...;-...L-.+. 2 ~~

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TRAVIESA DE MACERA TRA VI ES A DE HORIA IGON DE LO NGITUD

TRAVIESA DE HORMJGON DE 2,20 ~

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( 1 1 Trz:T,alitO ,ieticio (l i o. io

Fuente: Normas RENFE Vía (N.R.v.)

Figu ra 8.4. Espesor de balasto y sub balasto en líneas con carga por eje 20 t

b) RENFE .

RENFE propone un Catálogo de Secciones Estructurales que trata de simplificar la metodología de la UIC, basadas en díferentes tipos de plataforma (definidas por su C.B.R.) y

en el tráfico bruto que soporta la vía. En cualquier caso, se considera que las capas de asiento propuestas no deben utilizarse salvo imposibilidad de dimensionar y emplear las propuestas por la UIC.

169

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA e) Consideraciones sobre los espesores de las capas de asiento. En relación al espesor total calculado , "e =

eb

+

8 s bH,

el espesor de la capa de balasto y el

de la de subbalasto, se pueden añadir las siguientes cons ideraciones:

•

En líneas en las que se circu le por encima de los 200 km/h, el espesor total no debería descender de 0,6 m, y excepcionalmente de 0,5 m.

•

El valor mínimo del espesor de la capa de subbalasto "e sb" debe ser la mitad del espesor tota l "e" calculado, por lo que si el espesor de la banqueta de balasto "e b" tuviera que ser mayor que la mitad de "e", dicho espesor "e" debe ser aumentado en la cantidad correspondiente.

•

Por razones constructivas, el espesor de la capa de subbalasto no debe ser inferior a 15 cm.

•

La capa de subbalasto no debe ser menor de 25 cm en vías con velocidad máxima mayor de 160 km/h; además, si la velocidad máxima es menor de 160 km/h, su espesor será de 25 cm cua ndo la altura de ba lasto bajo traviesa sea menor de 30 cm, y en otro caso , por condicionantes constructivos, la capa tendrá un espesor mínimo de 15 cm .

•

El tráfico marca la importancia de la línea, y a él debe supedita rse la capacidad portante de la plataforma y las dimensiones de la banqueta , que están muy relacionadas con las del subbalasto. En general, se recom ienda que exista un espesor mínimo de balasto de 30 cm bajo la traviesa .

•

En la actualidad, en plataformas rígidas se están empleando espesores de balasto que en líneas de alta velocidad llegan a los 40 cm sobre lámina asfáltica . En la línea de alta velocidad Córdoba-Malaga se ha empleado 35 cm de balasto y 30 cm de subbalasto en plataformas no rígidas.

•

El espesor de balasto debe ser al menos de 30 cm en las líneas de veloci dad superior a 120 km/h y debe estar comprendido entre 25 y 30 cm en líneas de velocidad máxima igualo menor de 120 km/h.

170

CAPiTULO VII. LAS CAPAS DE ASIENTO

6. DIMENSIONES DE LA BANQUETA DE BALASTO. La geometría de la banqueta de balasto queda definida por los siguientes elementos

(reflejados en las figura 8.5 y 8.6).: •

Espesor total de la banqueta: es la suma del espesor de balasto bajo la traviesa

(determinado según el apartado 5) y el espesor de la capa de enrase. •

El refuerzo de la capa de enrase. La capa de enrase

queda definida por una

superticie situada 2 cm por debajo del. punto más bajo del patin del carril. Esta capa tiene como finalidad absorber los esfuerzos horizontales: el colocado entre las

traviesas debe neutralizar las acciones longitudinales, y los hombros de la banqueta deben anular los esfuerzos transversales. •

Las dimensiones en planta: hombros de la banqueta (H) y ancho de la entrevía (aen ).

El ancho de los hombros se ha determinado experimentalmente. Generalmente su valor oscila entre 90 y 105 cm, en funci ón del tráfico , adoptándose las mismas dimensiones en rectas y en curvas. En las estaciones , secciones en túnel, puentes, etc. siempre que los elementos constructivos (hastíales, andenes, etc. ) contribuyan a la contención del balasto , no tienen que respetarse esas dimensiones de los hombros . En alineaciones curvas de radio inferior a 400 m se suele llevar a cabo un refuerzo del hombro prolongando el talud de la

banqueta en 100 mm de altura. El ancho de la entrevía depende de los esfuerzos transve rsales y del gálibo de los trenes. En general , oscila entre 210 cm y 234 cm, en función del tráfico, y en esta ciones se suele disponer una entrevia mínima de 350 cm. En los trabajos de RENFE ha sido frecuente el empleo de valores de 4 ,00 metros entre ejes de vías (entrevía de 2,332 m). En las líneas de alta velocidad se esttm adoptando distancias entre ejes de vías de 4,70 m.

•

El talud del balasto.

Se emplea un talud 5H/4V a partir del hombro exterior de la banqueta. En lineas de alta velocidad se adopta un talud 3H/2V.

171

DISEÑO Y CARACTERiSTlCAS DE LA ViA FERROVIARIA

Fuente: Normas RENFE Via (N.RV. ) Figura 8.5. Geometría de la banqueta de balasto

1 8' M 8x'

=

8r 8x

y teniendo en cuenta la hipótesis de Navier, se ded uce la ecuación difere ncial de la viga flota nte:

d' z

E I - + K z=O

dx'

Condiciones de contorno y resolución de la ecuación diferencial :

Suponiendo la viga indefinida y sometida a una carga puntual "Q", cuyo punto de aplicación es tomado como origen, se puede proceder a la integración de la ecuación diferencial de la

185

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA viga flotante. Los resultados obtenidos (para cortantes, momentos f1ectores o flechas) son sinusoides fuertemente amortiguadas de la misma longitud de onda, con los valores máximos de los esfuerzos y las flechas en el punto de aplicación de la carga. El valor de dicha longitud de onda es de:

Como se puede observar en la figura 8.10, las amplitudes disminuyen rápidamente, de modo que a partir de una distancia mayor que N2 la influencia de una carga puntual "Q" es prácticamente despreciable. En función de los valores de K e I se obtienen diferentes longitudes de onda. Para unos valores normales, por ejemplo K = 1.000 kg/cm' e I = 2346 cm 4 se obtiene un valor de A=4,2 m. Por lo tanto, se puede concluir que los efectos (flechas, cortantes o flectores) generados por las ca rgas de una determinada llanta no llegar a superponerse con los de la llanta siguiente, pues la distancia entre ejes es superior a los valores normales de N2.

Fuente: lorente (2004) Figu ra 8.10. Flechas y esfuerzos cortantes y f1ectores en la viga flotante

Por los motivos expuestos anteriormente , se pueden determinar los valores máximos de los esfuerzos y de la flecha considerando únicamente la carga de una rueda sobre el carril. Esos valores máximos, los cuales se producen en el punto de aplica ción de la carga, viene n determinados por las expresiones siguientes:

M 186

=

= d'i º" ~EI º" 2 K ' T= =

CAPíTULO VIII.- COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA E

= Módulo de Young del carril (Vm').

= Módulo de inercia del ca rril (m4 ) . K

= Módulo de la via (Vm' ).

0 0 = Carga dinámica (t). Extrapolando los resultados anteriores a una viga apoyada sobre traviesas, y teniendo en

cuenta que K =p I L, donde L es la distancia entre traviesas y p la rigidez de la vía, se pueden obtener las siguientes expresiones para el momento f1ector máximo, la flecha máxima y la reacción en la traviesa (Ro):

Cálculo de las tensiones en el carril:

Una vez conocido el valor del momento flector máximo, se puede calcular la tensión del carril dividiendo el momento flector por el módulo resistente del carril :

M =,

(J=--

úJ

2.4. Tensiones admisibles. Se admite como tensión admisible en el carril [a tensión correspondiente al 90 % del límite elástico del acero. Por lo tanto, en los carriles habitualmente utilizados los límites son: 2

Acero normal:

O adm

= 3.800 kg/cm

Acero duro:

O adm

= 5.000 kg/cm 2

2.5. Tensiones tangenciales . Aplicando el criterio de Van Mises, resulta que la tensión tangencial máxima admisible tiene un valor:

187

DISEÑO Y CARACTERíSTICAS DE LA VíA FERROVIARIA

T

~,

Ú "'¡m 3.800 , =.J3= .J3- = 2193 . kg/ c/11 '

Experimentalmente, se ha comprobado que la máxima tensión tangencial en el carri l toma valores del orden de un 30% del valor de la tensión de contacto normal en tre la rueda y el carril. Como la superficie de contacto entre la llanta y el carril es una elipse de 1 cm 2 , considerando una carga por eje de 20 t, la tensión originada será:

IOOOOkg 2 1 cm

Jo.OOO kg/ cm' ; r =O,3'h=3.000kg/ cm '

La tensión tangencia l que aparece es superior al límite elásti co del material. Por lo tanto, en la superficie de contacto, el carril se plastifica y se desgasta .

2.6. Cá lc ul o de las traviesas . La reacción estética en la traviesa puede determinarse con el modelo de ZimmermannTimoshenko mediante la siguiente expresión:

En general, el comportam iento de las traviesas es mal conocido. En cualquier caso, se puede admitir un coeficiente de reparto de la carga en el carril "R" sobre las traviesas ad yacentes, tal y como se muestra en la figu ra 8.11 . La reacción estática RE suele tomar valores del orden del 30 al 60% de la carga estática Q E.

R

Fuente: Lorente (2004 ) Figura 8.11. Reacciones en las traviesas frente a una carga puntual

188

CAPíTULO VIII. - COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA VíA La estimación de las reacciones dinámicas se rea liza a partir de la reacción estática, afectando a esta última mediante dos coeficientes:

El coeficiente