PARTE 2 - Estructura de La Via
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FERROCARRILES Y TRANSPORTE GUIADO 4º CURSO - INGENIERÍA CIVIL
PARTE 2.- ESTRUCTURA DE LA VÍA
ÍndiceGH7HPDV:
/D9tD)HUURYLDULD
(O&DUULO
/DV7UDYLHVDV
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$SDUDWRVGH9tD
2
/$9Ë$)(5529,$5,$:
• Componentes • Camino de Rodadura • Vía – Material • Movimiento de Lazo • Ancho de Vía • Gálibos • Entrevía
Componentes de la Vía
Componentes de la Vía
Vía Ferroviaria = Vía (Camino de Rodadura) + Instalaciones
(Electrific, Señalizac. y Segur., Comun.)
Tipos de Vía
Vía en Balasto
Vía en Placa
La Vía Ferroviaria (Camino de Rodadura) Dos Partes: 1. INFRAESTRUCTURA O PLATAFORMA Conjunto de obras necesarias para construir la vía: - natural: tierra, trinchera,… - artificial: túneles, viaductos, puentes…
2. SUPERESTRUCTURA - dos carriles, cuya inclinación y
separación relativa son mantenidas por las traviesas (piezas transversales), que están apoyadas sobre una capa de balasto (de espesor variable) y demás capas de asiento. - otro material: sujeciones, etc…
La Vía Ferroviaria (Camino de Rodadura) Funciones de los elementos: - Carril: - Conducción – Guiado - Sustentación de cargas: elemento resistente que recibe directamente las cargas a través de las ruedas - Circuito eléctrico (de retorno de tracción eléctrica; señalización) - Traviesas: - Mantener espacio entre carriles (ancho de vía) - Mantener inclinación de los carriles - Transmitir esfuerzos al balasto - Capas de apoyo: - Reparten sobre la plataforma las cargas de los trenes - Arriostrar las traviesas (por rozamiento) - Aseguran evacuación y evaporación de las aguas - Absorben las vibraciones
La Vía Ferroviaria (Camino de Rodadura) Vía m Cargas / Respuestas o Material (tractor, móvil, autopropulsado)
Características de la Vía: - Flexibilidad: La rodadura acero – acero es muy rígida, por lo que es necesario obtener cierta flexibilidad para absorber aceleraciones y reducir los esfuerzos de impacto (ocasionados por desnivelaciones) - Continuidad Geométrica en planta y en perfil: evita aceleraciones bruscas de los ejes del vehículo (tangencias y curvatura) - Resistencia: Absorber y Transmitir elevadas cargas por eje del material - Inclinación del carril hacía el interior (1:20, excepcionalmente 1:40): mejora la estabilidad y reduce los desgastes de la llanta
La Vía Ferroviaria (Camino de Rodadura) Características Mixtas:
España: j = 9 mm Europa: j 9,15 mm EEUU: j = 21 mm
- Juego de Vía (j) = G - D
Distancia entre bordes de pestañas (D) medida 10 mm bajo el plano de rodadura
Plano de Rodadura
Ancho de Vía (G)
Si j es grande o marcha senoidal peligrosa Si j es pequeño o la pestaña ejerce constantes rozamientos y presiones sobre el carril: ruidos, peligro de descarrilamiento Evita el roce continuado con el consiguiente desgaste
La Vía Ferroviaria (Camino de Rodadura) Características Mixtas: - Sobreancho •El eje del material ataca en las curvas oblicuamente al carril, lo que obliga a crear un sobreancho en las curvas. •El sobreancho 6 es función del Radio de la curva 5 •Fórmulas empíricas
S= S=
6
- 0,012 (donde S y R en metros)
R (100 – R) 2
(R en metros y S en mm)
27.000 Espacio adicional al juego de vía (entre pestaña y carril) que mejora la inscripción del vehículo en la curva 1
La Vía Ferroviaria (Camino de Rodadura) Características del Material: - Calaje (dispositivo para limitar los movimientos de una carga): Eje montado
1
La Vía Ferroviaria (Camino de Rodadura) Características del Material: -Llantas (Forma; Pestañas interiores) - Cónicas
o Evitan tendencia al descarrilamiento o Compensan, en parte, en curva, los deslizamientos relativos de una rueda y otra (la rueda exterior recorre un círculo de mayor diámetro que la interior)
- Inclinación
1
La Vía Ferroviaria (Camino de Rodadura) Características del Material:
r = radio de rodadura de la llanta ρ = radio de la curva j = juego de la vía 2e = ancho entre ejes de carriles γ = conicidad de la llanta
Deslizamiento relativo entrelas ruedas: 2e 2Sr / r Máxima compensación:2Sgj
Pregunta: ¿Cuál es el radio para el que no existe deslizamiento relativo? SDUDXQUDGLRLQILQLWRGHODFXUYD 5(&7$ 1
La Vía Ferroviaria Movimiento de Lazo
trepidación
Movimiento de Lazo o serpenteo
balanceo vaivén
galope o cabeceo choque lateral
1
La Vía Ferroviaria Movimiento de Lazo
Se produce en DOLQHDFLRQHVUHFWDV, cuando una rueda toma un cierto avance (p.ej: por irregularidades de la vía), rueda sobre un círculo menor que la opuesta, con lo que se produce un efecto de llamada hacia el centro. Se dice que el centro del eje está sometido a un movimiento de lazo Efectos Aceleraciones significativas, deterioro del confort de la marcha, disminución del “tiempo de fatiga” del vehículo ferroviario (mayor a menoresfrecuencias)
1
La Vía Ferroviaria r= radio de rodadura de la llanta γ= conicidad de la llanta 2e= distancia entre ejes de carriles a= valor máximo de la aceleración medida (cm2/s) en la dirección considerada, en la caja del vehículo
Movimiento de Lazo Índice de Sperling
Evalúa la estabilidad de la marcha de un vehículo. Da idea de lacomodidad. A menor índice mayor comodidad
I = 2,7
10
a3 N7 Frecuencia de RVFLODFLyQGHun eje aislado +]
Movimiento Ármonico Simple Y = k sen wt
N = v / 2Sg/re
Frecuencia de vehículo completo N x K = v / 2Sg/re Actuaciones
K=
1 1 + (E/2e)
60.000 TBR/día
60 kg/m
Análisis técnico – económico Criterios Experimentales SHVRSRUPHWUROLQHDOSSPO
SSP l 2,5 P, (Congreso El Cairo, 1968) (3: carga por eje en T/m) SSP l v 2, 2 , (Yershov) (Y: velocidad maxima en km/h) SSP l 31, 046 Q 0,203 , (Shulga) (Q: densidad maxima de trafico 106TKBC / Kaño) SSP l
a 1 4 Q ÂY Â3 6KDMXQLDQ] D ORFRPRWRUDVYDJRQHV
Fabricación del Carril • Antecedentes -
Madera
-
Hierro
-
1883 Consolidación de los carriles de Acero -Dúctiles oMuy blandos oGrandes Desgastes - Duros: Preferible el desgaste de la rueda al del carril
• Cualidades: Exigencias Contradictorias 1. Débil resistencia a la rodadura (carril liso), con máxima adherencia (carrilrugoso) 2. Carril exento de fragilidad (carril blando), muy resistente al desgaste (carrilduro) 3. Carril con gran elasticidad (carril flexible), con mínima resistencia a larodadura (carril rígido)
Fabricación del Carril • Tendencia -
Utilización de carriles duros
-
Clasificación: carriles de dureza normal (cargas de rotura a tracción 70 – 85 kg/mm2), carriles duros (> 90 kg/mm2)
• Fabricación Objetivo: Búsqueda de la formación de la perlita y la sorbita, componentes que, sin ser muy duros, son muy tenaces y, por tanto, aptos para resistir golpes, choques y desgastes.
Fabricación del Carril • Proceso -
Colada
-
Lingotes
-
Blooming – laminación
-
Enfriamiento
-
Acabado
-
Corte y Perforación de los agujeros de las bridas, en su caso.
Se debe garantizar: - regularidad en la composición química - máxima eliminación de segregaciones e inclusiones gaseosas - perfecta resistencia a la abrasión y a los choques - perfecta soldabilidad
Ensayos a realizar antes de la recepción del Carril: Probeta
cabeza
LINGOTE
pie
Longitud útil : 20 – 30 m ensayo de choque macroscópico químico
tracción
ensayos
Brinell macroscópico
Ensayos a realizar antes de la recepción del Carril • Análisis Químico Las fábricas efectúan análisis químicos de cada colada. La composición química debe tener unos porcentajes determinados de cada compuesto (C – Mn – Si – P – S) Propiedades de los elementos: - C: aumenta la dureza y estabilidad al desgaste (¨0,1%C pdesgaste 8-10%); pero a mayor cantidad de C aumenta la fragilidad (dificulta el enderezado en frío) - Mn: aumenta la dureza y resistencia al desgaste (¨1/3 < que con el C, pero menores riesgos de fragilidad) - Si: análogo al Mn, pero su exceso puede producir riesgos de fragilidad - S y P: proporcionan extrema fragilidad. No son deseables
Ensayos a realizar antes de la recepción del Carril
Calidad
Corriente
Dura
Procedimiento de Elaboración Procedimiento Thomas Procedimiento Bessemer Procedimiento Siemens- Martín básico Procedimiento LD Procedimiento eléctrico A B B
C (%) 0,37-0,55 0,40-0,50 0,40-0,55 0,40-0,60 0,40-0,60 0,60-0,75 0,50-0,70 0,45-0,65
Mn (%) 0,70-1,20 0,80-1,20 0,80-1,20 0,80-1,20 0,80-1,20 0,80-1,30 1,30-1,70 1,70-2,10
Si (%) máx 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,5 0,5 0,4
P (%) máx 0,8 0,06 0,05 0,04 0,05 0,05 0,05 0,03
S (%) máx 0,05 0,06 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,03
Recomendación UIC de la composición química
Ensayos a realizar antes de la recepción del Carril • Peso El peso de los carriles se determina suponiendo una U = 7,85 gr/cm3 El peso real de 20 carriles elegidos al azar no puede ser inferior más que en un 2% respecto del peso teórico • Tolerancias Geométricas En los perfiles destinados a los aparatos de vía (cambios, etc.), las tolerancias se pueden reducir a la mitad
Ensayos a realizar antes de la recepción del Carril • Choque - Se efectúan en la proporción de 1 por cada 2 -3 lingotes. - Se deja caer un martillo de 1.000 kg. desde una altura variable entre 0,10 – 0,15 P (altura en metros siendo P el peso por metro lineal del carril expresado en Kg), sobre un cupón de 1.300 mm, apoyándose por su patín en dos apoyos separados un metro. - Los cupones deben resistir sin fisuras los ensayos prescritos • Ensayos de Tracción - Proporción: 1 por colada - Carga de rotura: - Acero Normal: 70 – 85 kg/mm2 - Acero Duro: > 90 kg/mm2 - Alargamiento de rotura: - Acero Normal: > 14% - Acero Duro: > 10%
Ensayos a realizar antes de la recepción del Carril • MacroscRpia - Ensayos de macro-estructura y de macrografía - Objetivo: Detectar la presencia de S y P - Proporción: -Mínimo: 2 ensayos por cada 500 toneladas -Máximo: 2 ensayos por colada - Procedimiento: Se somete una lámina del carril a la acción de un papel de citrato de plata, impregnado con ácido sulfúrico. Si existe S ó P, se produce H2S (ácido sulfKídrico) o H3P (fosfamina) que se impresiona de negro en la plata • Dureza Brinell: Resistencia al desgaste - Proporción: 1 ensayo por colada sobre las mismas láminas que el anterior - Objetivo: Información - España: Dureza Brinell > 270
Contra ensayos y Garantía
• Contra ensayos -Realizados por la siderXrgiapara comprobar los ensayos realizados
• Garantía - Hasta 31 de diciembre del año N+5, siendo N el año de fabricación.
Retirada Prematura de un Carril • Defectos - 20 – 25%: Defecto de carácter metalúrgico (composición/fabricación) - 75 – 80%: Agresiones exteriores (tráfico soportado: fatiga), Corrosión. • Lugares habituales - Extremos de los cupones, agujas y tramos en curvas - 60% en los extremos, 40% en las secciones intermedias - Cerca del mar, túneles, etc. • Tipos - Roturas (35 – 40 % de los defectos) - Fisuras (55 – 65 % de los defectos) • Fisuras - Localización: variable, frecuentes fisuras horizontales y verticales de cabeza y fisuras verticales del alma -Detectables por observación directa, electrónica o ultra –sónica -No producen roturas frágiles generalmente
Retirada Prematura de un Carril
• Roturas - 35 – 40 % de los defectos - Se presentan en: - zonas débiles de la sección transversal - secciones con fallos de laminación - soldaduras - secciones taladradas (agujeros de las bridas) - en los extremos del carril - Autotemple o Piel de Serpiente: manchas en las zonas de frenado y aceleraciones, debidas a los cambios de velocidad que provocan fuertes rozamientos que elevan la temperatura del carril, del cual al enfriarse se despega la lámina superior de la cabeza, dando lugar a escamas.
Retirada Prematura de un Carril - Mancha Oval: Fisura transversal en la cabeza, que se propaga por fatiga a partir de una inclusión sólida o gaseosa en la masa del carril yque puede acabar rompiendo. La superficie del carril presenta una mancha oval plateada muy característica. Rotura peligrosa: frágil. Da lugar a descarrilamientos
Y
Yo 2
x
5
Fórmula de la ORE que cuantifica la progresión superficial de la fisura transversal
Yo: área de la mancha oval respecto a la cabeza inicial x : millones de TBC Y : área de la mancha oval 50% área de la cabeza del carril
- Causas posibles: a) Distintos enfriamientos térmicos b) Defecto en la laminación - Recomendación ORE: Retirar el carril cuando la sección transversal de la mancha supere el 50% de la superficie útil de la cabeza 25( 2IILFHGH5HFKHUFKHVHWG (VVDLV 2ILFLQDGH,QYHVWLJDFLyQ\(QVD\RV
Desgaste Normal - Causa: Arrancamiento de la materia que produce el paso de las cargas, dando lugar a una disminución de la sección útil y resistente de la cabeza. - Gran influencia del radio de curvatura en planta de las alineaciones. - Desgaste en curva superior al desgaste en recta - Experimentalmente (UIC):
d
kR
D
d: índice de desgaste D: 1 –2 k: característica de la línea R: radio de curvatura en planta
Desgaste Ondulatorio -
Deformaciones de longitud de onda variable, en la cabeza del carril, detectándose a simple vista por la presencia de franjas brillantes (crestas) intercaladas entre franjas de coloración normal (valles).
-
Tipos de desgaste: a) Corto: longitudes de onda 45 – 60 mm y amplitud: 0,4 mm b) Largo: longitudes de onda 500 – 2000 mm y amplitud 5 mm
- Desgaste Ondulatorio Corto ¾ Frecuente en sistemas metropolitanos ¾ Efectos: aumento en las cargas dinámicas (y por tanto, en los desgastes del carril y la llanta) incremento de la resistencia a la rodadura o mayor consumo energía ruido molesto ¾ Solución: $PRODGR FHSLOODGR GHORVFDUULOHV - Desgaste Ondulatorio Largo ¾ Su incidencia en la circulación es menor (excepto en altas velocidaGes)
/$675$9,(6$6: • Funciones • Colocación en la vía • Criterios de Elección • Materiales • Traviesas de Madera • Traviesas Metálicas • Traviesas de Hormigón • Armado • Pretensado • Traviesas en la Red Española
Funciones 1. Mantener la estabilidad de la vía mediante la adecuada absorción (carril) y transmisión de esfuerzos (balasto – plataforma). Impide el movimiento transversal de la vía. 2. Mantener el ancho de vía 3. Facilitar el asiento del carril con su correspondiente inclinación (cajeo en la traviesa o placa con inclinación) 4. Evitar la conducción eléctrica en relación a: a) El retorno de la corriente de tracción b) Los circuitos de vía, de la señalización e instalaciones de seguridad
Colocación en la Vía -
Por norma general: a 60 cm de distancia entre ellas
-
Variaciones:
-
-
En los aparatos de vía, que llevan cada uno unas distancias entre traviesas específicas
-
Para evitar que una soldadura de carril caiga encima de una traviesa
A mayor alejamiento las traviesas se levantarían al paso del tren A mayor acercamiento se incrementa el costo por km de la obra
Criterios de Elección (I) 1. Aspectos técnicos -
Forma, dimensiones y peso o Estabilidad vertical, transversal y longitudinal
-
Elasticidad o Compensar la rigidez
-
Regularidad o Garantizar geometría de la vía
-
Adaptación a la barra larga soldada (BLS) y al bateo
-
Adecuación al tráfico (TBR, velocidad) o condiciona características geométricas y estructurales
-
Grado de aislamiento eléctrico
-
Comportamiento frente a accidentes, vibraciones y ruido
Criterios de Elección (II) 2. Aspectos económicos -
Costes de fabricación y transporte
-
Gastos de almacenamiento, manipulación y mantenimiento
-
Vida útil
-
Posibilidad de reutilización
Materiales 1. Madera
Resistencia a la fatiga Resistencia al choque Elasticidad
2. Metal 3. Hormigón: a) Armado monobloque b) Armado en dos bloques (traviesas mixtas) c) Pretensado
Traviesas de Madera Naturaleza -
Árboles de vegetación normal, cortados en vida en la época de paralización de la savia
-
Roble, haya y pino
Inconveniente -
Degradación y Envejecimiento
Necesitan tratamiento
Traviesas de Madera Forma y Dimensiones -
La sección transversal no está rígidamente limitada (mejorar rendimiento del árbol); obligatorio cara inferior plana y caras laterales en ángulo aproximadamente recto.
-
Longitudes normales de traviesa: o 1,80 – 2,00 m (vía métrica) o 2,30 – 2,60 m (vía internacional o convencional)
-
Mayor peso posible para asegurar la mayor estabilidad y evitar el levantamiento (peso medio 80 kg)
Clasificación UIC
Traviesas de Madera Fabricación -
Ubicación -
Pasos a nivel, en la longitud de los contracarriles
-
Aparatos de vía y de dilatación
-
Tramos metálicos
-
Túneles con humedad
Corte Desecación: al aire, horno, vapor, aceite. Necesario para cualquier tratamiento previo
-
Entalladura (rebaje y cajeado)
-
Impregnación (creosota): resistencia a la putrefacción. Dos procedimientos: Bethell: impregna paredes y rellena Ruping:
los huecos
impregna paredes
Problemas -
Mecánicos
-
Meteorológicos: Grietas
-
Biológicos: Putrefacción
Traviesas de Madera Características técnicas
Características económicas
- Regular adaptación a la BLS
-
Precio variable sometido a la especulación
-
Conservación delicada
-
Vida útil: 20 años
- Aislamiento eléctrico eficaz
-
Valor residual ~ 0
- Buen comportamiento en descarrilamientos (no se parten fácilmente)
-
Regeneración problemática
- Existen buenas sujeciones - Velocidad máxima: 120 – 200 km/h
Traviesas Metálicas Naturaleza Acero o Fundición Forma y Dimensiones
e
f
c
d
b a
Traviesas Metálicas Fabricación • Colada • Laminación • Corte, conformación de extremos, realización de taladros y soldadura de las placas de asiento • Tratamiento contra la corrosión Problemas • Fuerte agresión en terrenos yesíferos • Frecuentes roturas si la nivelación no es la adecuada
Traviesas Metálicas Características técnicas
Características económicas
-
No buena adaptación a la BLS
-
Precio definido (no especulación)
-
Bastante ruidosas
-
Fácil almacenaje
-
Aislamiento eléctrico no eficaz
-
Vida útil: 30 - 50 años
-
Buena absorción de esfuerzos transversales y longitudinales
-
Valor residual considerable
-
Velocidad máxima: 160 km/h
Traviesas Hormigón Ventajas
Inconvenientes
• Mayor duración (2 – 3 veces más que las de madera)
• Mayor coste
• Constancia de las condiciones físicas • Mayor resistencia en los desplazamientos de vía
• Peor manejo: mayor peso (300 kg) • Dificultades de aislamiento en ambos hilos de la vía
Traviesas Hormigón Armado: Monobloque
Traviesas Hormigón Armado: MixtasR%LEORTXH Naturaleza Acero + Hormigón -
Características del hormigón: Contenido en cemento del orden de 400kg/m3 \resistencia GH500 kg/cm2 Armaduras de 8 y 16 mmGHGLiPHWUR
Fabricación Armaduras o Áridos o Cemento o Dosificación o Hormigón o Transporte del hormigón fresco y alimentación de las tolvas o Moldeo o Desmoldeo o Transporte y curado de las traviesas frescas o Descarga y acopio o Control de fabricación o Control de recepción o Carga y Expedición
Traviesas Hormigón Armado: MixtasR%LEORTXH Ensayos de Recepción -
Control de calidad del hormigón
-
Comprobación de aspecto exterior
-
Comprobación de tolerancias
-
Ensayos de flexión sobre traviesas terminadas
-
Control de fisuración
Traviesas Hormigón Armado: MixtasR%LEORTXH Características técnicas
Características económicas
-
No válidas para tráfico pesado
-
-
Se adaptan bien a la vía con BLS
Precio definido y estable (no especulación)
-
Dificultades de manipulación
-
Problemas de bateo
-
Sustituciones no previstas: prematura corrosión de la riostra
-
Vida útil: 25 – 30 años
-
Valor residual escaso
-
-
Aislamiento dudoso y con dispositivos especiales Mal comportamiento frente a descarrilamientos (rotura o deformación de la riostra) Velocidades: 160 - 300 km/h
-
No mantienen bien el ancho de vía (pequeña rigidez vertical y transversal de la riostra)
-
Peligro de corrosión de la riostra
Traviesas Hormigón Pretensado Tipos • Pretensado: la tensión a las armaduras al comienzo de la fabricación • Postesado: la tensión a las armaduras al final de la fabricación
Forma y Dimensiones Peso # 300 kg Longitud#2,60 m Anchura # 30 cm
Traviesas Hormigón Pretensado Características técnicas
Características económicas
-
Excelente sujeción longitudinal y transversal de la vía
-
Precio definido y estable (no especulación)
-
Mantienen el ancho de vía
-
-
Utilizable en túneles y ambientes húmedos
Necesidades de conservación mínimas
-
Vida útil ~ 50 años
-
Fabricación más complicada
-
Valor residual escaso
-
Peso mayor
-
Bien adaptada a la vía con BLS
-
Gran rigidez o débil reparto de esfuerzos o necesidad de aumentar su elasticidad o placas de asiento elastoméricas
Traviesas Especiales -
Traviesas de Puentes
-
Traviesas metálicas de juntas
-
Aparatos de vía
-
Traviesas soporte de electrificaciones que se hacen por el tercer carril
Traviesas en la Red Española
Traviesas en la Red Española -
Vía en balasto: I. Modelos de ancho fijo UIC: utilizados en LAV II. Modelos Polivalentes: utilizados en LC (2 monobloque y 1 bibloque) III. Modelo tres carriles: Traviesa de ancho mixto -
Vía en placa: I. Traviesa bibloque II. Solución de bloques independientes (Getafe y Castellón) III. Vía de tres carriles con carril embebido
Traviesas en la Red Española 1. Modelos de ancho UIC: • Tipo AI-88 y AI-89 -
LAV Madrid – Sevilla Hormigón monobloque pretensado (armaduras pre y postesas) Peso: 295 kg 2,60 m largo, 30 cm ancho y 22 cm alto Separación 60 cm (entre ejes)
• Tipo AI- 99 -
LAV Madrid – Barcelona, Ramal Toledo, Madrid – Valladolid, Madrid Córdoba Hormigón monobloque pretensado Peso: 315 kg 2,60 m largo, 30 cm ancho y 24 cm alto
Traviesas en la Red Española 2. Modelos polivalentes: • Tipo PR-90 y PR-01 -
Hormigón monobloque Varía la sujeción a emplear Peso: 295 – 315 kg 2,60 m largo, 30 cm ancho
• Otros modelos -
Bibloque PB91: para rehabilitaciones Bibloque Stedef y Bloque Tranosa: para vía en placa
Son traviesas aptas para los dos anchos, el internacional y el español
Traviesas en la Red Española 3. Modelo tercer carril: Ancho mixto • Tipo AM-00 -
Tramo Tardienta – Huesca. LAV Zaragoza – Huesca Sección rectangular Anclajes al tresbolillo para facilitar su fijación Peso: 400 kg 2,75 m largo, 30 cm ancho y 23 cm altura
• Otros modelos -
Bibloque PB91: para rehabilitaciones Bibloque Stedef y Bloque Tranosa: para vía en placa
/$668-(&,21(6: • Funciones • Características Básicas: Funcionales y Económicas • Elementos de las Sujeciones • Fijaciones Rígidas • Fijaciones Elásticas • Capas de Asiento • Clasificación de las Sujeciones • Criterios de Elección • Sujeciones más utilizadas • Ensayos
Funciones 1. Mantener unidos el carril y la traviesa 2. Absorber y transmitir eficazmente las cargas verticales y horizontales. Evita los movimientos de contracción y dilatación del carril 3. Evitar el vuelco del carril 4. Mantener el ancho de vía 5. Proporciona a la traviesa un complemento de aislamiento cuando ésta no es plenamente aislante
Características Básicas Funcionales 1. Frecuencia propia de vibración mucho mayor que la del carril para evitar aflojamientos 2. Alta resistencia al deslizamiento longitudinal del carril sobre la traviesa 3. Curva elástica de respuesta bastante horizontal que posibilita que se conserve el esfuerzo cuando haya relajamiento en el apretado 4. Elevada resistencia a torsión para dificultar el giro relativo entre el carril y la traviesa 5. Elevada resistencia a la intemperie que la haga inmune frente a los efectos climáticos 6. Aislamiento eléctrico suficiente 7. Capacidad de apriete
Características Básicas Económicas 1. Pocas piezas 2. Fácil montaje y desmontaje 3. Duración elevada que permita su renovación simultánea con los otros componentes fundamentales de la superestructura (carril y traviesas)
Elementos de las sujeciones 1. Elementos de fijación (fijaciones) a) Rígidas: elementos transmisores de esfuerzos rígidos, se deforman plásticamente, elevados costes de mantenimiento. Es necesario reapretarlas b) Elásticas: los elementos transmisores que transmiten los esfuerzos son elásticos y pueden deformarse y recuperarse, consiguiendo mantener la calidad y menores costes de mantenimiento. Permite movimientos verticales del carril amortiguando la energía de los choques 2. Placas de asiento
Fijaciones Rígidas 1. Escarpias -
Clavo de sección cuadrada u octogonal, cuya cabeza se apoya sobre el patón del carril
-
Material: acero
-
Colocación: golpes de martillo
-
Resistencia al arranque por rozamiento
-
Ventajas: Facilidad de fabricación Bajo coste Facilidad de instalación Posibilidad de reclavado
-
Inconvenientes Desapretado
-
USA
Fijaciones Rígidas 2. Tirafondos
-
Elemento de acero
-
Cuerpo troncocónico, provisto de un filete helicoidal y terminado en una cabeza redonda
-
Se utiliza para fijar el carril o la placa metálica de asiento a la traviesa de madera
-
Se utilizan en Europa y gran parte del mundo
- Colocación: Taladro de diámetro inferior en la traviesa Apriete hasta contacto Dos al exterior y uno al interior alternando (con esfuerzos reducidos sólo dos)
Fijaciones Rígidas 2. Tirafondos -
Ventajas Las mismas que las escarpias: Facilidad de fabricación Bajo coste Facilidad de instalación Posibilidad de reclavado Mayor resistencia a esfuerzos verticales
-
Inconvenientes Desapretado
-
Recuperación del anclaje: 1. Estaquillado: introducir estaquillas en los taladros de las traviesas de madera 2. Espiral Vortok. Muelle que se introduce en los taladros de las traviesas de madera cuando la sujeción presenta cierta flojedad
Fijaciones Elásticas 3. Clavos -
Sencillos o dobles
-
Barra de acero especial de sección cuadrada o circular, plegada de manera que hace presión sobre el patín del carril
-
Con el tiempo se produce un desclavado
-
En ferrocarriles nórdicos y centroeuropeos
9
Fijaciones Elásticas 4. Grapas y Abrazaderas
-
Se emplean con todo tipo de traviesas
-
Pieza constituida por una lámina de acero elástico, plegada o recortada con la forma adecuada, que proporciona la fuerza elástica de la sujeción por su trabajo a flexión
-
Sujeción regulable. Debe ser inspeccionada y reapretada perídicamente
Placas de Asiento Funciones -
Establecen la relación entre el carril y la traviesa ampliando la superficie de apoyo del carril
-
Contribuyen a la correcta posición e inclinación del carril
-
Evitan desplazamientos del carril
-
Clasificación (según su posición en la vía) ¾ Placas de junta ¾ Placas intermedias
-
Colocación: sobre la traviesa
Clasificación de las Sujeciones 1. Directas a) Apoya directamente el carril en la traviesa
Traviesa de madera
Traviesa metálica
Clasificación de las Sujeciones 1. Directas b) El carril apoya en la traviesa a través de una placa de asiento
Unión con tirafondos y traviesa de madera
Unión con clavos y traviesa de madera
Clasificación de las Sujeciones 2. Indirectas Unen el patín del carril con la placa y otro elemento une la placa con la traviesa
3. Mixtas Formadas por dos elementos: uno une el patín del carril con la traviesa y el otro la placa de asiento con la traviesa
Criterios de Elección Factores a destacar: •
Tráfico
•
Geometría y estructura de la vía
•
Técnicas de construcción y Conservación
•
Tipo de traviesa: Generalmente se asocian las sujeciones a las traviesas para garantizar el buen funcionamiento solidario de ambos
Se suelen hacer ensayos de laboratorio para comprobar el funcionamiento
Sujeciones más utilizadas según tipo de traviesa 1. RN - Se utiliza en las traviesas mixtas - Grapa elástica que aprieta el carril contra la traviesa y funciona a modo de muelle absorbiendo las deformaciones de las placas de asiento de los carriles - Da aislamiento eléctrico
1
Sujeciones más utilizadas según tipo de traviesa 2. HM (Vossloh) - Se utiliza en traviesas monobloque Características: -Forma de la grapa elástica -Forma de la placa acodada sobre la que ejerce presión la grapa elástica -ALVlamientoHOpFWULFR -Inserción del tirafondo
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Ensayos 1. Arranque - Determina el esfuerzo máximo de arranque y la curva elástica del proceso
2. Elemento elástico - Da las curvas elásticas que proporcionan los recorridos y fuerzas de apriete en cualquier circunstancia de ajuste, aunque éste sea imperfecto
3. Elemento amortiguador de la sujección - Da las curvas elásticas (carga/asiento) de las placas del material elastómero que se ponen entre el carril y la traviesa
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/$6&$3$6'($6,(172: • Funciones • Estructura • Balasto • Sub-base • Dimensionamiento • Cálculo de Espesores
Funciones 1. Amortiguar y repartir los esfuerzos que transmiten las traviesas 2. Constituir un lecho elástico que permite una rodadura suave 3. Permitir el establecimiento de la nivelación y peralte y sus ajustes 4. Facilitar las correcciones de alineación 5. Evitar las fugas de corrientes
(conviene evitar contactos entre el balasto y el carril para prevenir fugas de corriente de electrificación y/o señalización)
6. Mejorar el saneamiento facilitando la evaporación del agua 7. Posibilitar el drenaje 8. Estabilizar horizontalmente la vía
EstructuraGHODV&$3$6'($6,(172
a) &DSDVXSHULRURGHDSR\R %DODVWR b)
&DSD,QIHULRU 6XEEDVH
Balasto Funciones principales: -
Drenaje
-
Arriostramiento transversal y longitudinal de la vía
-
Permite restituir las características geométricas de la vía una vez deteriorada
Tamaño: -
Si es mayor de 6 cm o incompatibles con las máquinas de mantenimiento de la vía
-
Si es menor de 3 cm o drenaje ineficaz, menor grado arriostramiento transversal
-
Gravilla 10/30 para trabajos de conservación y relleno
Forma: -
Balasto lajoso o bateado difícil
-
Balasto redondeado o menor estabilidad
-
Solución: Piedra machacada de forma más o menos cúbica
Balasto Naturaleza: -
Roca de cantera. El mejor comportamiento es el de las rocas silíceas: duras, resistentes al desgaste. (nota: rocas calizas para vías secundarias)
Estado: -
Limpio porque la suciedad y el polvo anulan las posibilidades de drenaje y saneamiento
Resistencia y Reología -
Asientos: El balasto es el responsable del 70 – 80% de la flecha de la vía.
-
El asiento será menor cuanto más compactado esté el balasto Resistencia y Elasticidad: El módulo de elasticidad varía con el estado tensional y la naturaleza de la plataforma, pero no depende de la granulometría E = 15 – 41 kN/cm2 para V = 10 – 50 N/cm2 Coeficiente de Poisson 0,16 – 0,20 Material resistente al desgaste Material resistente a los efectos del hielo - deshielo
Capa Inferior o Sub-base Funciones: 1. Gradúa los efectos hacia la plataforma 2. Evita el punzonamiento de la plataforma por el balasto 3. Evita la contaminación del balasto 4. Facilita el saneamiento, el drenaje, y la protección contra el hielo Composición (de arriba a abajo): granulometría de 0-3 cm 1. Capa de sub-balasto: grava arenosa compactada al 105% de la densidad seca correspondiente al óptimo ProctorNormal. Existe siempre. En las plataformas de pedraplénsirve de capa de igualación y reparto 2. Capa de fundación: gravilla anticontaminante compactada al 100% de la densidad seca correspondiente al óptimo ProctorNormal. Para la circulación de la maquinaria durante la obra. Se suprime en plataformas con buena capacidad portante 3. Capa anticontaminante: arena. En plataformas de baja calidad 4. Fieltro anticontaminante (geotextil). En plataformas de media y baja calidad (con muchos finos), como elemento aislante entre su capade terminación, llamada también de forma, y la estructura de subbase, para evitar que los finos asciendan
Dimensionamiento VHJ~Q8,&R1RUPDWLYDGH5(1)(9tD159
Las dimensiones de la capa de balasto y de la subbase son función de: a) Características de los suelos que constituyen la plataforma b) Características de la plataforma (capa de forma) c) Condiciones climatológicas de la zona d) Características del tráfico (velocidad y TBR) en el tramo e) Características de la superestructura
Dimensionamiento Características de los suelos que constituyen la plataforma CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS SEGÚN UIC (Identificación geotécnica) 0-1. 0-2. 0-3. 0-4. 0-5. 0-6.
Suelos orgánicos sin asentar Suelos finos Suelos tixotrópicos (por ej: arcillas expansivas) Materiales solubles Materiales descompuestos Suelos mixtos minero – orgánicos
1-1. 1-2. 1-3. 1-4. 1-5.
Suelos que contienen más del 40% de finos Rocas muy evolutivas (yesos, margas, esquistos alterados) Suelos que contienen del 15 al 40 % de finos Rocas evolutivas (yesos, esquistos no alterados) Rocas blandas
2-1. 2-2. 2-3. QS1 si
Suelos que contienen del 5 al 15 % de finos Arenas conteniendo menos del 5% de finos, pero uniformes Rocas de dureza media las condiciones hidrogeológicas e hidrológicas son buenas
3-1. Suelos que contienen menos del 5 % de finos 3-2. Rocas duras QS2 si las condiciones hidrogeológicas e hidrológicas son buenas
CLASE DE SUELO
QS0
Suelos difícilmente mejorables, inadecuados para realizar las capas subyacentes a la de forma, o esta misma
QS1
Suelos que pueden mejorarse con un buen drenaje
QS2
Suelos medianos
QS3
Suelos buenos
Dimensionamiento Características de la plataforma Se determina por su capacidad portante, que depende, especialmente, de las condiciones de la capa de forma. •
3ODWDIRUPDGHPDODFDSDFLGDGSRUWDQWH 3 : CBR 5
•
3ODWDIRUPDGHFDSDFLGDGSRUWDQWHPHGLD 3 : 5 < CBR 20
•
3ODWDIRUPDGHFDSDFLGDGSRUWDQWHEXHQD 3 : CBR> 20
Condiciones climatológicas •
Helada: para prevenir sus efectos
la capa de forma no debe estar constituida por suelos que contengan elementos de diámetro inferior a 0,02 mm en cantidad mayor del 10%, si su coeficiente de uniformidad tiene el valor de 5, ni al 3% para un coeficiente de uniformidad de 15
Espesor de la capa de balasto + sub-balasto > 40FP (en España 20 –30 cm)
1
1
UIC Grupo Tráfico ficticio diario medio (TBR) 1 > 120.000 2 85.000 – 120.000 3 50.000 – 85.000 4 28.000 – 50.000 5 14.500 – 28.000 6 7.000 – 14.500 7 3.500 – 7.000 8 1.500 – 3.500 9 < 1.500
Dimensionamiento Características del tráfico
Cálculo del WUiILFRILFWLFLRGLDULRPHGLR (Tf2):
Tf 2
S Tf 1
donde
Tf 1
Tv K mTm K tTt
7Y 7%5YLDMHURV 7P 7%5PHUFDQFtDV 7W 7RQHODGDVORFRPRWRUDV .P VDOYRSDUDYtDVFRQWUiILFRSUHSRQGHUDQWHGHHMHVGHW!.P .W HVHOWUiILFRPiVDJUHVLYR
6GHILQHODVFDUDFWHUtVWLFDVFRPHUFLDOHVGHODYtD = 1,00SDUD líneas sin tráfico de viajeros o con pste tráfico esencialmente local = 1,10SDUD líneas con tráfico de viajeros en trenes v 120 km/h = 1,20SDUD líneas con tráfico de viajeros en trenes 120 < v < 140 km/h = 1,25SDUD líneas con tráfico de viajeros en trenes con v > 140 km/h
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TBR TBR
TBR TBR
TBR
TBR
TBR
TBR
TBR
TBR
TBR
TBR
TBR
Dimensionamiento Características de la superestructura Separación de las traviesas, tipo y longitud
Cálculo de Espesores Se utilizan ábacos que, en función de las variables anteriores, definen los espesores de las diferentes capas de asientoDVtFRPRRWURVSDUiPHWURV FRPRHODQFKRGHHQWUHYtD DHQ \ODORQJLWXGGHKRPEURV + $FWXDOPHQWHOas líneas de AVse están montando con 30 cmde balasto y 25 cmde sub-balasto
1
159
/$3/$7$)250$: • Aspectos Básicos • Funciones • Clases de Plataformas • Plataformas Naturales • Saneamiento y Drenaje • Criterios Constructivos • Deformaciones y Movimientos de la Plataforma • Cuñas de Transición • Plataformas Artificiales
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Aspectos Básicos
Capa más profunda de la vía: condiciona y encarece los trabajos de mantenimiento
El incremento de velocidades, tráficos y cargas plantea problemas a plataformas construidas hace años
Sensibilidad climática en las plataformas arcillosas
Se recomienda hacer plataformas para vía doble para una previsible ampliación
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Funciones
Proporciona apoyo a la vía e instalaciones
Recibe y absorbe los esfuerzos estáticos y dinámicos que le transmite el material y los de origen térmico, y debe actuar ante ellos como un cimiento resistente y sin asientos plásticos. No debe deformarse.
Evacuación de todo tipo de aguas (lluvia, subterráneas, etc) El agua altera y disminuye la capacidad resistente de la plataforma, lo que da lugar a desprendimientos, erosiones superficiales, asientos diferenciales, aumento de volumen en suelos arcillosos, problemas en suelos susceptibles de heladas, deslizamientosHWF 5
Clases de Plataforma
Artificiales u obras de fábrica (túneles, puentes, pasos a distinto nivel)
Naturales (en desmonte, a nivel, en terraplén, a media ladera)
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Plataformas Naturales
Desmontes:
Formadas por el propio terreno
Terraplén:
Formadas por suelos de aportación
Media Ladera:
Caso intermedio
La plataforma debe asentar sobre un terreno de suficiente consistencia, para lo cual es necesario eliminar previamente la tierra vegetal y aquellas capas de terreno que no tengan capacidad portante. /D FDSD VXSHULRU GH OD SODWDIRUPD VH GHQRPLQD &$3$'()250$, y está provista de pendientes transversales para la evacuación de las aguas pluviales
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Plataformas Naturales: Taludes Consideraciones Generales Los taludes de los desmontes y terraplenes deben ser estables
- Los suelos tienen un ángulo de talud estable que depende de su naturaleza (ángulo de rozamiento interno) y de su grado de humedad. -Enlastrincherasenterrenosrocososdebe alterarse lo menos posiblela estabilidaddelosmacizos,yevitarlacoincidencia entre el ángulo del talud y el buzamiento de los estratos de la roca -En ocasiones, pueden proyectarse taludes verticales, aunque no es conveniente, ya que cualquier desprendimiento afectaría a la vía -En las rocas estratificadas hay que comprobar la existencia de capas intermedias de arcillas que, por efecto de la lluvia, pueden facilitar la aparición de planos de deslizamiento
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Plataformas Naturales: Taludes Valores Prácticos Taludes en Desmontes Naturaleza del Suelo Talud Granito 1h : 5v Cuarcita y areniscas 1h : 4v Pizarras y conglomerados 1h : 4v a 1h: 3v Gravas y acarreos 1h : 1v Tierra seca con arcilla 1h : 1v a 1,3h : 1v Tierra compacta seca 1h : 1v a 2,5h : 1 v Arcilla bien drenada 1,5h : 1v a 2,5h : 1v Arcilla húmeda 2 h: 1 v a 4 h : 1 v Turba 2,5 h : 1 v a 5 h : 1 v
Taludes en terraplenes y pedraplenes Valores de referencia: Pedraplenes: 1,25 h : 1v Terraplenes: 1,50 h : 1v
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Plataformas Naturales: Naturaleza Dependiendo del tipo de suelo, según su capacidad para ser utilizados como plataformas ferroviarias, se distinguen los WLSRV GH VXHOR 464646±46 LQDGHFXDGRVPDORVUHJXODUHV\EXHQRV
Plataformas Naturales: Sección transversal Dimensiones Las plataformas antiguas tienen anchuras (entre cunetas laterales) del orden de 6 –12 metros (dependiendo si es vía única o doble) Las nuevas plataformas de alta velocidad están entre 12 –16 metros Inclinación transversal Valores habituales son de 3 a 5 %, según la vía esté en recta, curva o sea una vía de estación
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Plataformas Naturales: Sección transversal
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Saneamiento y Drenaje Saneamiento Superficial - Drenaje transversal: para las aguas superficiales de cauces definidos - Drenaje superficial: para las aguas de escorrentía de diversas áreas de cuenca en la que se ha construido la vía ferroviaria. Se proyectan para evacuar el caudal máximo correspondiente a un determinado período de retorno. El drenaje superficial está formado por cunetas, cuya finalidad/es es/son: - Recoger, evacuar las aguas de escorrentía de los taludes en desmonte - Recoger y evacuar las aguas procedentes de la propia plataforma filtradas a través del balasto - Controlar el nivel freático Las cunetas pueden ser de explanación (desmonte), de guarda (coronación de desmonte), de túnel y de pie de terraplén. Las cunetas pueden estar sin revestir, ser prefabricadas u hormigonadasinVLWX
Saneamiento y Drenaje Drenaje de la plataforma Parte del agua superficial penetra en la plataforma, por lo que es necesario disponer de drenes subterráneos. Los drenes están formados por una zanja en la que se colocan tubos (con juntas abiertas, perforados, ranurados, de material poroso). La zanja se llena con material filtro y se aislan de las aguas superficiales sellando su parte superior con un material impermeable.
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Saneamiento y Drenaje Drenaje profundo Su objetivo es cortar las corrientes subterráneas de agua. Pretende guiar la corriente subterránea a un cauce natural próximo Puede ser longitudinal o transversal
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Criterios Constructivos Algunas consideraciones Con alturas mayores de 15 m los terraplenes tendrán deformaciones y asientos, por lo que, en estos casos, es necesario hacer un estudio técnico económico que compare la solución de terraplén con la de viaducto.
&RURQDFLyQ: 0,30 m CBR > 8 1~FOHR: 2,50 m CBR > 5 %DVH: CBR> 5
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Deformaciones y Movimientos de la Plataforma -
Debidas a la propia infraestructura: i. Mal dimensionamiento de las capas de asiento ii. Valoración errónea de la capa portante de la plataforma Producen: -
Falsos asientos de las traviesas Palomitas: manchas blancas en el balasto por ascenso de finos
Solución: i. Redimensionamiento de las capas ii. Sustitución de la capa de forma iii. Estabilización de la plataforma con cal, cementoHWF 1
Deformaciones y Movimientos de la Plataforma -
Ajenas a la propia infraestructura: a) Desprendimientos: bolos procedentes de las trincheras, debido a discontinuidades en la plataforma y al agua Solución: i. Evitar la erosión del agua (drenes, cunetas, riegos asfálticos, gunitados, hidrosiembra, etc.) ii. Evitar que el bolo caiga a la plataforma: inyecciones, bulonados, telas metálicas, túneles artificiales, etc. b) Movimientos de la Plataforma: asociado a la existencia de arcilla y agua Solución: i. Eliminar el agua ii. Disminuir las pendientes y alturas de los taludes 1
Plataformas Artificiales: Puentes Clasificación - Según la luz: tajea, alcantarilla, pontón, puentes y viaductos - Según el material: de hormigón, metálica, mixta
Diferencia entre los puentes de ferrocarril y los de carretera Los puentes de ferrocarril: - Soportan mayores cargas: son menos esbeltos, y se suele acudir a soluciones de vigas de doble T o cajones - Se conoce la línea de actuación de las cargas, por lo que se puede distribuir mejor el material del puente
Acciones -Peso propio, tráfico, entorno (viento, acciones térmicas, sísmicas, etc.) 1
Plataformas Artificiales: Puentes Cálculo de la estructura: algunas consideraciones Se tienen en cuenta los esfuerzos dinámicos. Para calcularlos, se tiene en cuenta el esfuerzo estático mayoradocon un coeficiente entre 1,2 a 1,8
En el arranque de un tren se producen unos esfuerzos contrarios al avance estimados en el 30% de las cargas que gravitan sobre cada rueda tractora. En el frenado se estima la fuerza en un 25% de la carga sobre todas las ruedas. Hay que tener en cuenta el gálibo del ferrocarril
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Cuñas de Transición Son necesarias en la unión de las plataformas naturales con las artificiales, ya que aparece una inestabilidad en el balasto debido a la diferencia de rigideces de los distintos materiales, agravado por la dilatación del puente.
Plataformas Artificiales: Túneles El hilo de contacto de la catenaria va en la clave del túnel La sección viene condicionada por la maquinaria de excavación
No se deben poner traviesas bibloque ya que el ambiente es húmedo y corrosivo.
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/$6-817$6: • Las Juntas: Funciones • Características • Partes • Tipos de Juntas • Disposición en la vía • Inconvenientes
La separación entre carriles sucesivos es, debido a los efectos dinámicos, el punto más débil de la vía. Debido a la discontinuidad se pueden dar choques, deformaciones del carril, aplastamiento de balasto, movimientos de la vía, aumento de la resistencia a la rodadura e disminución del confort. SOLUCIÓN
Las Juntas: Funciones
Solidarizar los carriles, para que actúen como una viga continua tanto en planta como en alzado
Presentar una resistencia a la deformación similar a la de los carriles
Permitir la dilatación de los carriles y los movimientos longitudinales, impidiendo que en los extremos haya movimientos relativos laterales o verticales
Características
Simples: formadas por el menor número de elementos Fácil montaje y desmontaje Duraderas en su funcionalidad
Partes •Bridas
BRIDAS SOBRE PUENTE
Piezas que materializan la unión de los carriles En España se han utilizado bridas cortas de cuatro tornillos Se colocan en cada una de las caras del alma de los extremos del carril que han de unir
•Tornillos Fijan las bridas al carril, haciéndolas solidarias con los carriles Los diámetros deben de estar bien estudiados: diámetro del tornillo < diámetro brida Para evitar aflojamientos se pueden usar arandelas o forros
•Conexiones Cables que aseguran la continuidad de las corrientes de señalización y electrificación
Tipos de Juntas
•Junta apoyada simple - Unión sobre la traviesa - Inconveniente: los golpes que recibe la traviesa la hacen bascular, quedando falsamente apoyada sobre el balasto.
Tipos de Juntas •Junta suspendida o al aire -
Unión entre dos traviesas contiguas
-
Mayor elasticidad y evita el efecto yunque
-
La brida puede desarticularse
•Junta semisuspendida FXDQGRODEULGDDOFDQ]DODVWUDYLHVDV
Tipos de Juntas •Junta apoyada doble -
Apoyada sobre dos traviesas
-
Mayor resistencia a los desplazamientos horizontales y verticales.
-
Inconvenientes: más rígidas, mayor consumo de metal, fijaciones especiales, dificultan el trabajo de bateado
Disposición en la vía - Pareadas o a escuadra o cabalgamiento - Alternadas o desfasadas o balanceo
Inconvenientes -
Acciones dinámicas que producen: a) Golpe de martillo, acentúa la forma en V b) Deformaciones y roturas en los extremos del carril
-
Roturas de bridas y carriles en los agujeros por la concentración de tensiones en los mismos
-
Incrementa los gastos de conservación de la vía
-
Incrementan la resistencia a la rodadura
-
Pérdida de confort
/$9Ë$6,1-817$6 %/6 : • Antecedentes y Evolución • Tensiones, Esfuerzos y Desplazamientos • Consideraciones Constructivas • Fabricación • Ventajas BLS %DUUD/DUJD6ROGDGD
Antecedentes y Evolución
Su implantación se inició en lugares donde no había problemas de dilatación acusada (poca oscilación térmica, movimientos coaccionados)
Inconvenientes a su implantación: - Creencia en la teoría de la libre dilatación: desplazamiento inadmisible
L 1000 m $4 50º C
'L
ΔT # 0,5 m L D '4
D # 105 º C 1 Si la vía funcionase en régimen de libre dilatación, los deslizamientos que habría que absorber con las juntas serían excesivamente grandes
-
Creencia de funcionamiento de la vía como viga biempotrada Si no hubiese posibilidad de desplazamientos se presentarían tensiones bastante considerables
V
'L E L
E D '4 ΔT
'L 50 cm E 2,1107 N cm 2 L 1000 m
V 10.500 N cm 2
Carril de 54 kg, sección 70 cm2y compresiones de 700 kNo V =700 kN/70cm2=0000 N/cm2 Posibilidad de pandeo.
Antecedentes y Evolución
Inconvenientes a su implantación: -
Razones técnicas 1. La soldadura de carriles en la vía no tenía buen nivel de calidad 2. Las sujeciones rígidas se aflojaban prematuramente en carriles soldados
Tensiones, Esfuerzos y Desplazamientos Una vía sometida a movimientos de origen térmico, produce por rozamiento, una fuerza variable que puede llegar, por suma y acumulación de esfuerzos, a evitar que, a partir de cierto punto, el emparrillado formado por los carriles y las traviesas se desplace. Un tramo de una barra larga, sometido a variaciones de longitud por causas térmicas, está sometido sobre sus extremos a una fuerza que se opone a su deslizamiento, y que conforme se acerca al centro del tramo, va creciendo hasta llegar a un punto en que el esfuerzo debido a la dilatacióno contracción es igual al esfuerzode rozamientoque aFumuladamenteejerce el resto de la vía. En el tramo, por tanto, existirá una zona central que no se mueve, con dos tramos en los extremos llamados GHUHVSLUDFLyQ, que se desplazan, no libremente, porque el balasto se opone parcialmente a su movimiento.
Tensiones, Esfuerzos y Desplazamientos Cálculo de los tramos de respiración Se cumple que al final de la zona de respiración, desde cada unode los extremos libres, la fuerza de rozamiento (rāL) es igual a la fuerza debida ala variación de temperatura (F=VāS)
L
ΔT S E D '4 r
L: longitud de respiración r: resistencia al deslizamiento: traviesa madera: 5000 N/ml traviesa bibloque: 7500 N/ml traviesa hormigón: 10.000 N/ml S: sección eficaz del emparrillado (traviesas + carriles)#2 x sección carril
Tensiones, Esfuerzos y Desplazamientos
Cálculo de los tramos de respiración Diagrama de esfuerzos
L
ΔT S E D '4 r
L varía entre 100 y 300 m
Tensiones, Esfuerzos y Desplazamientos Diagrama de esfuerzos Curva de Movimiento
Tensiones, Esfuerzos y Desplazamientos Desplazamientos del extremo de la barra
Este desplazamiento es la mitad del que habríasi el tramo de respiración estuviera en régimen de dilatación libre
Tensiones, Esfuerzos y Desplazamientos Conclusiones a) La parte central: - No sufre desplazamientos - Está sometida a las máximas tensiones térmicas b) Las partes extremas: - Sufren tensiones menores y gradualmente decrecientes a medida que se aproximan al extremo libre - El desplazamiento máximo es la mitad del que existiría según la teoría de la libre dilatación, aplicada a la longitud de respiración estrictamente y no a todo el tramo soldado.
Tensiones, Esfuerzos y Desplazamientos Conclusiones Existen problemas derivados de la histéresis de las zonas de respiración: la situación que se crea al disminuir la temperatura después de haber aumentado no es la de partida. Pero estos problemas no son graves
Consideraciones Constructivas Longitud Interesa soldar tramos lo más largos posibles en los que la longitud total sea al menos mayor que 2 veces la longitud de respiración Peso Propio Interesa que sea lo más elevado posible, asegurando la vía frente al pandeo Resistencia al desplazamiento transversal A mayor resistencia mejor se comporta la vía. Interesa: - Vías pesadas - Fuerte rozamiento en el balasto - Evitar radios muy reducidos en planta Deformaciones Limitar los fallos de nivelación y alineación 1
Consideraciones Constructivas Resistencia a la deformación de las uniones Asegurar que no pierda eficacia el apriete (mejor uniones elásticas) y resistencia a torsión elevada Liberación de tensiones Conseguir que todos los puntos de la BLS sean fijados a la misma temperatura para conseguir tensiones uniformes a cualquier temperatura y se mantengan dentro de los límites admisibles. Temperatura de neutralización de tensiones:
TL
Tmax Tmin 5 2
Si temperatura de fijación alta o rotura del carril Si temperatura de fijación baja o pandeo Juntas de dilatación La dilatación de la longitud de respiración (100 -300 m) es apreciable, por lo que tiene que ser absorbida por unas juntas especiales, que reciben el nombre de DSDUDWRVGHGLODWDFLyQ
1
Fabricación Soldadura en taller
Se realiza una soldadura eléctrica por resistencia en taller de 3 a 8 barras elementales, tras esta operación estos tramos, a veces soldados con una longitud de 144 a 288 metros se llevan al tajo donde se sueldan entre sí “in situ”
1
Fabricación Soldadura in situ Se descargan en la vía barras elementales de carriles (18 - 36 m) y se sueldan allí mismo con un proceso aluminotérmico. Consiste en colar en un molde, que envuelve los extremos de los carriles, un metal de fusión obtenido mediante una reacción aluminotérmica(reacción del aluminio con óxido de hierro) La composición de la soldadura debe corresponder al acero que se quiere obtener Inconvenientes: -Duración elevada de la soldadura (15 minutos) -Precio 3 –4 veces mayor que en taller -Menos segura, presenta fallos
Actualmente hay máquinas para realizar la soldadura eléctrica en vía.
1
Ventajas de la BLS -
Menor conservación: Continuidad en las características de resistencia y solicitación de la vía puesto que no hay puntos de discontinuidad ni en las tensiones, ni en los esfuerzos, ni en los parámetros geométricos
-
Menos roturas y fallos de carril, pues hay menos juntas
-
Aumenta la vida útil del carril en un 20 – 25%
-
La BLS admite mayores cargas, tráficos más intensos y mayores velocidades
-
Mejores condiciones de explotación del material móvil, se reduce la frecuencia de torneado de las llantas (se desgastan menos al no haber juntas)
-
Conservación de la vía más simple: no hay juntas
-
Aumenta el confort de la marcha: no se produce cabalgamiento
-
No se necesitan juntas de conexión para dar continuidad al circuito eléctrico de la vía (sin embargo, para la corriente de señalización es necesario provocar discontinuidades mediante juntas)
-
Se eliminan los puntos débiles de los taladros para las bridas
-
Menores resistencias la rodadura, que se traduce en menores necesidades energéticas
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/$9Ë$(13/$&$: • Aspectos Básicos • Características y Funciones de los componentes • Componentes • Ventajas • Inconvenientes • Tipologías de vía en placa
Aspectos Básicos
Una vía férrea de alta velocidad debe poseer las siguientes características: elasticidad, amortiguamiento, mínima conservación y limitada sonoridad al paso de los trenes
La vía en p placa,, evita la deformabilidad p permanente y creciente del balasto, bajo las cargas del tráfico a velocidades altas.
De modo general, una vía sobre placa de hormigón es un sistema formado por una serie de elementos clásicos en la vía sobre balasto: carril, sujeción y en ocasiones traviesas, junto a otros que le confieren su carácter específico: una placa de hormigón, que puede presentar distintas características, y un elemento denominado elastómero, que desempeña un papel fundamental en el proceso tenso –deformacional de la vía como sistema
Características y Funciones de los componentes -
Características a considerar: 1. Elasticidad y amortiguamiento que proporciona el balasto 2. El reparto uniforme de presiones sobre la plataforma
Balasto
•0DWHULDO(ODVWyPHUR (elasticidad) •Placa de hormigón (asiento uniforme y reducida deformabilidad)R3ODFD3ULQFLSDO •3ODFDGH%DVH (suelo estabilizado con betún, cemento…) entrela placa de hormigón y la infraestructura(apoyo uniforme de la infraesWUuctura, reduce efecto de surgenciay aminora los efectos de las heladas) -
Componentes: 3ODWDIRUPD3ODFDGH%DVH3ODFD 3ULQFLSDO(ODVWyPHUR7UDYLHVD 6XMHFLyQHOiVWLFD\&DUULO
Componentes Plataforma La causa principal de rotura de las plataformas es el fenómeno de surgenciao “SXPSLQJ” que produce una socavación progresiva bajo la placa debido a: -Agua libre bajo la placa -Suelo susceptible de entrar en suspensión -Cargas fuertes y frecuentes
Es importante la calidad de la plataforma sobre la que asienta la placa. Es necesario eliminar el agua libre bajo la placa, mediante un drenaje eficaz, bien sea superficial o profundo. Además, si el suelo natural posee baja capacidad portante, hay que mejorarlo mediante subbases de zahorras granulares, macadam, suelo-cemento, etc. En el caso de suelos susceptibles a la helada, es preciso prever una capa calorífuga, que puede ser hormigón poroso o producto sintético
Componentes Placa Base Se sitúa sobre la plataforma: -
Proporciona un mayor reparto de las cargas sobre el terreno Disminuye el efecto de surgencia Aminora los efectos de las heladas, al formar una protección de la plataforma Da uniformidad de sustentación a la placa principal
Se recomienda un espesor del orden de 15 cm (no inferior a 10 cm) por razones constructivas Se emplean bases de suelo estabilizado con betún, cemento, cal yhormigón pobre
Componentes Placa Principal Constituye el conjunto que soporta los carriles, los cuales se fijan en ella por medio de los elementos de sujeción, cumpliendo por tanto, de forma general y en combinación con el elastómero, las funciones del balasto y las traviesas Características del hormigón: -Resistencia mecánica > 350 kg/cm2 -Docilidad -Adaptación a las exigencias de puesta en obra (temperatura, espesor de las tongadas, naturaleza de los áridos) - Relación a/c entre 0,4 – 0,6
Elástomero - Absorben fuertes cargas mediante pequeñas deformaciones, siendo norma general el empleo de elementos de caucho interpuesto entre el carril y la capa principal
Componentes Traviesa, en su caso a) Hormigonar la placa una vez colocadas las traviesas, de tal forma que éstas quedan embebidas en aquélla al producirse el fraguado del hormigón, constituyendo un conjunto solidario y monolítico. b) Interponer algún elemento de relación, de naturaleza elástica, entre la placa principal, en general hormigonada in situ y las traviesas que soportan los carriles. Sujeción Elástica La sujeción es la misma que en las vías de balasto pero se ancla directamente en la placa. Carril Existen mejores condiciones de trabajo, por lo que las exigencias respecto a la sección del carril se reducen
Ventajas - Por su estructura continua proporciona una rodadura muy uniforme - Los trabajos de conservación son mínimos, limitándose a reponer los carriles con excesivo desgaste, las piezas de sujeción deterioradas por fatiga y los elementos de elastómero inservibles por envejecimiento. - Puede soportar grandes cargas por eje - Reduce las presiones transmitidas a la plataforma, lo que es gran utilidad cuando el terreno es malo - Reduce los asientos localizados - En los túneles reduce la altura del gálibo, con el consiguiente ahorro en la excavación - En los tramos de puentes, al reducir la carga muerta de la estructura, permite una mayor luz entre apoyos
Ventajas - En los túneles es casi insustituible la vía en placa por la dificultad que en ellos tienen los trabajos de conservación, a pesar de utilizar máquinas, pues hay que tener en cuenta la toxicidad de los gases que desprenden - No es necesario el uso de herbicidas - Se reduce el ancho de la explanación al carecer de banqueta y no necesitar del espacio que ocupa el talud que forma el balasto - Ante un descarrilamiento no sufre daños importante, cuando por el contrario, el mismo accidente en una vía en balasto supone un gasto estimable, aparte de los trastornos en la circulación
Inconvenientes - Al ser más cara su construcción es necesario hacer un mayor desembolso inicial. No obstante, al carecer prácticamente de conservación, a largo plazo puede hasta incluso resultar más rentable que la vía convencional, teniendo en cuenta además el aumento progresivo que tendrá la mano de obra encargada de efectuar los trabajos de conservación - Es más ruidosa - Sólo se puede construir en doble vía o de nueva construcción, ya que el hormigón no permite hasta su fraguado el paso de circulaciones. Para su colocación en una vía en servicio se tendría que prever una interrupción total de la circulación, en los dos sentidos, de más de 30 días por km de vía, lo que no es aceptable para su explotación. - La reparación de los desperfectos es más difícil que en la vía convencional
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Comparación vía en placa vs vía en balasto
Revista de Obras Públicas
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Tipologías de vía en placa 1. Sistema de Construcción en capas Construcciones en capas, con estructuras monolíticas sin traviesas o de traviesas más losa portante, o estructuras con traviesas apoyadas directamente sobre la losa portante
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Tipologías de vía en placa 2. Sistema de Construcción de bloques recubiertos de elastómero Construcciones con bloques o traviesas recubiertos de elastómero que se introducen en la losa soporte
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Tipologías de vía en placa 3. Sistema de Construcción flotante Construcciones flotantes sobre elastómeros, ya sean traviesas o losas
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Tipologías de vía en placa 4. Sistema de Construcción Especial Construcciones especiales, como el carril embebido en material elástico
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$3$5$726'(9Ë$: • Aparatos de Vía • El Desvío • La Travesía • El Escape • Partes del desvío: cambio, cruzamiento • Clases de desvíos • Cambio de agujas
Aparatos de Vía
Conjunto de aparatos que tienen como misión asegurar la continuidad de la vía en cruces y bifurcaciones
Una de las piezas principales es la $*8-$. Una aguja se compone de una parte fija en la conexión de las dos vías que se llama FRUD]yQ yunaparte móvil que permite el paso hacia una u otra vía que se denominaHVSDGtQ.
Dentro de los aparatos de vía tenemos: desvíos, bifurcaciones, travesías y combinaciones de aparatos de vía (escapes, haz, diagonal….)
El Desvío
Un desvío es un aparato de vía que permite la separación de una vía en dos o varias, cuyos ejes se acuerdan tangencialmente con el de la primera formando un ángulo muy pequeño con él
Está compuesto por las siguientes partes: ¾ &DPELR en el que se separan, dos a dos, los cuatro carriles de lasdos vías ¾ &DUULOHVGHXQLyQRLQWHUPHGLRV que conectan el cambio con el cruzamiento ¾ &UX]DPLHQWR en el que se materializa el corte del carril derecho (izquierdo) de la vía directa con el carril izquierdo (derecho) de las vías desviadas
El Desvío
Clasificación ¾ 'HVYtR5HFWR aquél que se ubica en una vía general recta VG (vía general) VD (vía desviada) VG
¾ 'HVYtR&XUYR VD
a) Interior: se ubica en una vía general curva b) Exterior
VG
VD
VD
VG
convergente
divergente
Lo normal son los desvíos rectos, ya que son puntos críticos de mantenimiento y movimiento.
Travesía
Permiten el cruzamiento de dos vías en oblicuo o perpendicularmente con continuidad de sus direcciones respectivas
Travesía de unión simple: el tren puede continuar su trayectoria o cambiar de una vía a otra
Travesía de unión doble: permite todos los itinerarios posibles (continuidad o cruce y cambio de vía)
unión simple
unión doble
Escape Habituales en todas las estaciones. Permiten el paso de una vía a otra paralela. Pueden ser simples (compuestos de dos desvíos rectos), o dobles (permiten el cambio en dos sentidos, se componen de cuatro desvíos)
escape simple
escape doble: bretelle
Otras combinaciones
Bifurcación Su configuración es la misma que la del desvío, con la diferencia en que la velocidad en la bifurcación es alta, ya que es la separación de una vía en dos vías generales. Las características son distintas a las del desvío: mayores radios y menor ángulo
Partes del Desvío: el Cambio
- El cambio está formado por dos agujas unidas solidariamente en el interior de la vía por un tirante que al desplazarlo se dirige hacia un itinerario u otro. - Las agujas son flexibles, de longitudes entre 9 – 20 metros, con perfiles que facilitan su adaptación y permiten mayores velocidades. No tienen inclinación. -Los carriles exteriores son las FRQWUDDJXMDV. Son carriles normales cepillados en su parte inicial para permitir el acoplamiento. Tienen la inclinación normal de la vía (1/20).
Partes del Desvío: el Cruzamiento - Partes: Corazón (talón y punta), Patas de liebre, Contracarriles y Laguna
Partes del Desvío: el Cruzamiento - Tipos de cruzamiento: ¾ De carriles: el corazón está formado por dos carriles unidos en la punta (punta móvil). - Ventaja: rigidez es la misma que en las vías colaterales - Inconveniente: desgaste mayor que en las vías laterales por lo que requieren un tratamiento térmico para darle mayor dureza
¾ Monobloque: fabricado con acero al manganeso para darle gran dureza y resistencia al desgaste - Ventaja: puede regenerarse y reutilizarse. Es soldable. Gran resistencia al desgaste. Muy tenaz - Inconveniente: más caro
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Clases de Desvíos - Los desvíos se nombran por las tangentes del ángulo de cruzamiento. Tangentes normales son: ¾ 0,16 – 0,34: Estaciones de Clasificación ¾ 0,09 – 0,11: Estaciones medias de la red (vmax= 120 -140 km/h) ¾ 0,05 – 0,035 – 0,015: Estaciones alta velocidad (AVE: 0,027) - Tipos de desvíos: ¾ Desvío tipo A: velocidad máximas VG: 140 km/h y VD: 30 Nm/h. Su corazón no admite la soldadura a la barra larga, por lo que es necesario intercalar aparatos de dilatación. ¾ Desvío tipo B: velocidad máxima VG: 160 -140 Nm/h y VD: 30, 45 y 60 km/h según modelos. No necesita aparatos de dilatación. ¾ Desvío tipo C: velocidad máxima VG: 200 Nm/h y VD: 45, 50 y 60Nm/h según modelo. Admite soldadura ¾ Desvío tipo V: velocidad máxima VG: 200 Nm/h y VD: 100 Nm/h. ¾ Desvío tipo AV: velocidad máxima VG: 300 km/h y VD: 160 km/h. Aguja de perfil bajo, traviesa de hormigón.
Cambios de Agujas - Eléctricos - Mecánicos ¾Accionados desde la estación mediante un cable de acero
¾Accionados a distancia desde las estaciones o Centros de Control de Tráfico (CTC)
- Manuales ¾ Accionados a pie de cambio. Existe un indicador que según suposición indica si el cambio está hecho a vía directa o a YtDdesviada 1
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