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Diseño construccion y conservacion de vias ferreas (página 2)



Partes: 1, 2, 3, 4

También para dar mayor área de apoyo al
carril sobre las traviesas se colocan planchuelas
metálicas preferentemente de acero denominadas sillas Las
sillas pueden ser de distintos y variados tipos, pero todas
presentan un área mayor que el área aportada por el
carril, así como permite que se puedan colocar más
elementos de unión. En dependencia de la cantidad de
orificios que posea la silla y su posición con respecto al
borde del patín del carril, la fijación puede ser
del tipo directa, indirecta o mixta. Otro tipo de silla, tiene
una construcción en forma de nicho para albergar en su
interior la cabeza de un tornillo de cabeza rectangular, mediante
un giro del tornillo a 90ª y queda insertado dentro del
nicho Este tipo de fijación es muy usado en Europa y se
denomina tipo K. Tiene generalmente 2 tornillos de cabeza T en
los cuales se colocan planchuelas o presillas que apoyan sobre el
patín del carril y 4 tornillos tirafondos que unen a la
silla con la traviesa, este tipo de fijación se denomina
mixta.

Los clavos utilizados en la mayoría de los
ferrocarriles tienen una dimensión de 16 x16x165 mm y un
peso aproximado de 378 gr. (3.71N), la resistencia ala
extracción en traviesas de madera blanda y semi blanda es
de 2.0 KN y aumenta hasta 3.5 KN en traviesas de madera dura. Los
tirafondos al tener rosca aumentan su resistencia a la
extracción en 1.5 – 2.0 veces más que con los
clavos. Los tornillos T tienen su cabeza preparada para que se
aprieten o zafen con llaves de torque.

Fijaciones para apoyos de
hormigón.
En el caso de fijaciones para ser utilizadas
para unir al carril con traviesas de hormigón, deben
reunir una serie de cualidades que no se tienen en cuenta con las
traviesas de madera.

  • El carril no debe presionar directamente sobre la
    traviesa de hormigón, pues, el acero es capaz de
    desgastar al hormigón en su constante desplazamiento
    elástico en dirección horizontal longitudinal y
    transversal, por lo que para evitar este fenómeno se
    introduce la platina de aislante que no es más que una
    lámina de goma que se inserta entre el carril y la
    traviesa. Esta platina sirve también como un material
    aislante, ya que la traviesa de hormigón es altamente
    conductora de la electricidad.

  • Las traviesas de hormigón tienen una alta
    rigidez por lo que las fijaciones deben ser lo
    suficientemente elásticas como para suplir lo que las
    traviesas no pueden asumir.

El elemento que presiona sobre el patín del
carril en este tipo de fijación puede ser una planchuela
(presilla) o una grapa. En el caso de presillas o planchuelas, la
elasticidad la asume este elemento y en el caso de las grapas las
asumen las arandelas de presión.

El tipo de elemento de unión depende de la
fabricación de la traviesa, estas pueden ser construidas
dejando dentro de ellas un elemento que puede ser de
plástico o de madera conformado con rosca en su interior y
que sirve para utilizar tornillos tirafondo, otro tipo de
traviesa presenta un espacio vaciado en cuyo interior se le
inserta una arandela con un orificio en forma rectangular y
configuración semejante a la cabeza del tornillo T y que
permite que este tornillo de cabeza T se introduzca por su
orificio y al girarlo 90º quede atrapado de forma que no
pueda ser extraído.

Los elementos de goma o plástico con consistencia
elástica sirven no sólo para proteger a la traviesa
de hormigón de ser triturada por el roce del patín
del carril, sino que sirve para aislar eléctricamente en
las vías señalizadas o electrificadas.

Las platinas de goma que se utilizan tienen un espesor
entre 5 y 7 mm.

Para aislar eléctricamente y evitar la
deformación por abrasión del la traviesa bajo la
zona redondeada de la presilla se colocan almohadillas del mismo
material que las platinas. Entre el perno y la tuerca
además de las arandelas planas, se colocan bujes
plásticos aislantes, introducidas en el orificio de las
presillas. El buje se elabora de un material aislante
preferentemente textolita u otro elemento dieléctrico, lo
que además de ser aislantes deberán ser resistentes
a la humedad, al calor y tener altas capacidades
mecánicas.

Las fijaciones del tipo RN (ZHB) tienen pocas piezas,
consumen poca cantidad de metal (pero requieren de alta calidad
de los materiales del que son construidas las presillas). Poseen
elasticidad en el plano vertical y en cierto grado en el plano
horizontal (debido a la deformación de la parte redondeada
de la presilla al trasmitírsele las fuerzas laterales del
patín del carril). Esta presilla no permite regular la
posición de los carriles en planta, lo que hace que se
limite el radio de curvas en 350.0 m. Con el debilitamiento de
las presillas por pérdida de su elasticidad o por
deterioro mecánico, se pierde el apriete y con ello se
aumenta el grado de libertad horizontal transversal que permite
que con la aplicación de cargas laterales la trocha
(espacio entre los bordes de trabajo de los carriles, en Cuba
1435mm) de la vía aumente en dimensiones no permisibles,
especialmente en curvas de pequeño radio. También
este debilitamiento trae consigo que las almohadillas bajo la
zona convexa de la presilla, se partan o salgan de su
posición, lo mismo ocurre con las platinas de goma, que al
no tener la suficiente sujeción se salen fuera de su lugar
debido además porque al carril no estar presionado
éste se corre longitudinalmente provocando el corrimiento
de la platina y arrastrar además a las traviesas y al
balasto.

La elasticidad tanto vertical como horizontal es
insuficiente para vías de alta densidad de tráfico
y velocidades superiores a los 140 KPH. Se lleva acabo una
investigación para la utilización de platinas de
goma acanaladas de gran espesor (13mm). Estas fijaciones se
recomiendan utilizarse sólo en radios mayores de 350m de
radio con volúmenes de carga bajos.

En USA se utiliza una fijación consistente en dos
grapas elásticas La grapa inferior se apoya en un extremo
en el borde lateral del patín del carril y en el otro en
el doblez de la presilla superior. La presilla superior se apoya
con un extremo sobre el patín del carril y con el otro
extremo se apoya contra el borde de la parte deprimida de la
traviesa de hormigón, dentro de la traviesa de
hormigón se deja embebida una arandela de sujeción
que tiene un orificio de forma rectangular que al introducirse un
tornillo de cabeza T y girar a 90 º, este queda fijado y no
puede ser extraído.

En Inglaterra se usan varios de fijaciones, la SMC que
posee una presilla elástica y una grapa embebida en el
hormigón Los carriles descansan sobre una platina de goma,
que tiene dos superficies corrugadas, en la parte donde apoya el
carril, sobre las corrugas hay unos salientes adicionales
(especie de botones para darle al carril mayor agarre. Sobre la
superficie del patín se colocan unas platinas aislantes
sobre la cual se apoya la presilla. Esta última platina
tiene una pestaña que cierra el borde lateral del
patín no permitiendo el corrimiento lateral del mismo,
así como tiene en su extremo exterior dos
semicírculos que se introducen en las barras verticales de
las grapas embebidas en el hormigón, lo que también
ayuda a la resistencia al corrimiento. Entre el espacio de la
barra horizontal de la grapa y el hormigón, se coloca la
presilla elástica y se introduce (con golpes de martillo)
hasta que uno de sus bordes oprima al patín del carril y
el otro extremo quede sobre una de las barras de la grapa. La
presilla tiene doble contacto de apriete al carril como la RN o
ZHB.

Otras de las fijaciones utilizadas en Inglaterra y ya
extendida a muchos ferrocarriles es la Pandroll, la cual
tiene un elemento fijador de hierro fundido o de acero laminado,
embebido en el hormigón que sobresale de la superficie de
la traviesa, una presilla elástica en forma de barra
redonda doblada en forma semejante a un número 8 que se
inserta en los orificios que presenta el fijador mediante dos
golpes uno en sentido vertical y otro en el sentido longitudinal.
Estas fijaciones se utilizan también en traviesas de
madera y de acero. Para este fin a manera de dispositivo fijador
sirve una silla con los elementos necesarios para la
colocación de las presillas

Existen otras fijaciones como son: KOWA- KASEL de
Japón, Springlock CS, Sujeción K y KB utilizadas en
la Europa Oriental, Heyback británica, Delta, muy similar
a la PANDROL, McKay estadounidense, y otras.

La mayoría de estas fijaciones no permiten el
sobreancho en curvas de pequeño radio, por lo que se
utilizan en vías con curvas con radios mayores de
350.m.

Anclas o antideslizantes. Como vimos
anteriormente, las presillas elásticas no solamente
resisten las cargas verticales, además son capaces de
soportar los empujes provocados por las cargas horizontales
longitudinales producidas por los equipos ferroviarios al frenar
o acelerar, pero las fijaciones compuestas por clavos o por
tirafondo que unen directamente al carril con la traviesa, no
tienen suficiente resistencia para soportar este empuje y se
produce un corrimiento longitudinal en la vía que saca de
lugar las traviesas y hace que los carriles se topen provocando
pandeos en unos casos y cizallamiento de los pernos en otro, de
no resistir el empuje la capa de balasto o la vía carezca
de este elemento, se produciría un corrimiento del
conjunto carril- traviesa- balasto.

En el caso de traviesas de madera se utilizan unos
elementos elásticos denominados anclas, que se colocan en
la base del patín del carril y se apoyan contra las sillas
o las traviesas. En el primer caso, la presión ejercida
contra la silla puede provocar o el doblez y posteriormente la
extracción del clavo, o la deformación de los
orificios que tienen las sillas. En el segundo caso el ancla
puede penetrar en la traviesa y las deterioran por las
vibraciones verticales del carril. En la actualidad se usan
anclas que se apoyan contra la traviesa que son anclas
elásticas que bien colocadas son capaces de soportar 5.0
KN. cada una. También se utilizan las anclas de
cuña, compuestas por una grapa antideslizante y una
cuña que termina en una pala que se apoya en la traviesa y
una uña en forma de cuña que se introduce entre el
patín del carril y el ancla. En la actualidad se utilizan
pegamentos especiales para pegar las anclas al carril y es por
ello que estos elementos pueden ser construidos con cualquier
tipo de elementos de acero, angulares, láminas, etc. que
se peguen al carril verticalmente y se apoyen contra la traviesa
en el borde contrario a la dirección del corrimiento de la
vía. Para que las traviesas no se atraviesen, las anclas
se colocan una frente a la otra en la misma traviesa.

Fijaciones de juntas. Se llama junta al lugar
donde se unen los dos extremos del carril para darle continuidad
a la vía. Estas juntas pueden ser: mecánicas,
soldadas, encoladas o pegadas y encoladas con pernos.

En las juntas mecánicas entre los dos extremos de
carriles se coloca una barra de acero denominada mordaza
dejándose un pequeño espacio denominado cala que
sirve para la dilatación y contracción del metal
bajo la acción de la variación de
temperatura.

En las juntas encoladas las mordazas se pegan a los dos
extremos de los carriles y en las encoladas con pernos
además de pegarse las mordazas se unen entre si con los
pernos de fijación.

En las juntas soldadas, los extremos de los carriles se
sueldan en talleres especializados y con ello se garantiza la
continuidad de la vía sin dejar calas ni uniones, es por
ello que a este tipo de carril se le denomina también
carril sin juntas.

Con este último tipo de carril la
interacción dinámica entre el carril y la rueda es
uniforme en la totalidad del carril, ya que no existen cambios de
rigideces provocadas por las calas. Estas juntas desde el punto
de vista económico producen un ahorro sustancial debido a
que el mantenimiento a las juntas disminuye considerablemente, en
carriles de 12.50m de largo, se ahorra cerca del 33% de los
gastos totales de mantenimiento.

Juntas mecánicas. Las juntas
mecánicas pueden ser de tres tipos

a. Según la forma de topar

En ángulo, los carriles se cortan en
ángulo.

De martillo.

De martillo biselado.

Diagonal de martillo

De tres piezas

Unión en ángulo

Los carriles se unen entre sí semejante a como se
une dos agujas de las conexiones

De martillo y martillo biselado, los carriles se solapan
en forma de martillo

Estos tipos de juntas se utilizan frecuentemente en las
uniones de carriles largos soldados, ya que permiten la
contracción y dilatación de los carriles y
mantienen una continuidad en la vía. no obstante los
resultados obtenidos con ellos no fueron satisfactorios ya que se
debilita el metal en la corona lo que trae como consecuencia
partiduras, fisuras de distintos tipos, etc. otro de los
problemas que presentan es que se pandea la corona hacia la
garganta. Es por ello que la forma aceptada por todos los
ferrocarriles es la junta con el corte perpendicular de los
carriles que todos conocemos.

b. Según su colocación en
planta:

Juntas alternas, junta frontales o a escuadra. sin
orden.

Las juntas frontales están colocadas una frente a
la otra, de ahí su nombre; las juntas alternas se colocan
una frente al centro del carril que se encuentra frente a ella,
las juntas sin orden; como su nombre lo indica se encuentran
desordenadas. Las primeras tienen la ventaja sobre las juntas
otras en que puede mecanizarse la colocación de las
vías, lo que permite un ahorro sustancial en la
construcción de la superestructura.

Otra ventaja que posee es que el impacto de las ruedas
se produce al mismo tiempo en ambos carriles, evitando la
posibilidad de baches encontrados o desniveles relativos,
así como el impacto se reduce en dos veces que en el caso
de las juntas alternas.

Posibilidad de reforzar las juntas por el acercamiento
de las traviesas, ya que en las juntas alternas la
posición de las traviesas de las juntas no siempre
coincide en su ubicación respecto a la cala.

Según la colocación de sus
traviesas.

Suspendidas, cuando las traviesas están
colocadas de tal forma que las mordazas quedan en el aire.
Apoyadas, cuando sus traviesas están unidas debajo de la
cala

Yuxtapuesta o semi suspendida las mordazas apoyan
sobre las traviesas

Como se ha demostrado por experiencias realizadas, las
juntas más favorables son las suspendidas e incluso son
las más extendidas. En este tipo de juntas los extremos de
los carriles se flexan hasta que no se equilibren las fuerzas
externas producidas por las ruedas y la fuerza elástica
que flexa al carril. En el caso de junta apoyada, al pisar la
rueda un extremo del carril, se produce un impacto sobre la
traviesa debido a que al bajar el carril se crea un espaciamiento
entre la traviesa y el carril, este impacto provoca un efecto de
aplastamiento en la corona de los carriles, así como en
los puntos de contacto de las mordazas con el carril en la cala y
en la traviesa en la zona bajo el carril, además de
provocar sacudidas en el balasto. Otro fenómeno que se
produce es que debido al impacto la traviesa trata de girar con
relación a su eje longitudinal, lo que ocurre en la junta
suspendida pero en mucha menor escala. No obstante el desgaste de
los carriles en las juntas suspendidas se produce mucho antes que
el desgaste en la zona central.

Otro de los factores que hace que las juntas suspendidas
sean consideradas mejores que las apoyadas es que en el momento
de mecanizar los mantenimientos y reparaciones se dificulta el
calzado y los trabajos de nivelación en el caso de las
apoyadas, lo que no ocurre con las suspendidas.

Es obvio que las flexiones en las juntas suspendidas son
mayores que en las apoyadas, es por ello que para disminuir este
efecto se hace menor el espaciamiento en las juntas que entre las
traviesas colocadas en el centro del carril.

Además de estas clasificaciones que pudimos
observar, en las líneas con sistema de bloqueo se utilizan
juntas conductoras y juntas aislantes.

Las juntas conductoras permiten la transmisión de
corrientes de distintos tipos sin el aumento considerable de la
resistencia ómhica en el carril. Los carriles en
vías electrificadas sirven de conductores de corriente de
retorno, también son utilizados para los sistemas de
frenado automático, etc.

Las juntas aislantes sirven para delimitar circuitos de
carrileras y de tramos o trechos, no permiten el paso de
corriente eléctrica de un carril a otro.

Existe además otro tipo de junta denominada de
compromiso, estas juntas se utilizan cuando es necesario colocar
carriles de distintos calibres uno con otros, las mordazas se
construyen de tal forma que una mitad toma la
configuración de un tipo de carril y la otra la del otro
carril. Las mordazas de este tipo tienen poca vida útil,
debido a la concentración de tensiones que se crea en el
punto de transición de una sección a otra, por lo
que su utilización debe ser temporal para dar paso
momentáneamente o por un corto periodo de tiempo. Es
más racional construir carriles de compromiso si el
periodo de utilización es largo, ya que éstos se
construyen en plantas especializadas.

Los elementos fundamentales de las juntas
mecánicas son las mordazas que se construyen en forma de
barra con orificios compatibilizados con el carril de su calibre
y se ubican entre la corona y el patín y tocan las paredes
de la garganta, excepto en las zonas de enlace de la garganta con
la corona y el patín.

Dimensiones de las mordazas según el tipo de
carril.

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Las mordazas se unen al carril directamente con los
pernos. El diámetro del perno en su barra es menor en 2 mm
que el diámetro por la rosca.

Los pernos se construyen de alta resistencia y normales
(con resistencia correspondiente a 0.74 KN/mm2 y 0.84 KN/mm2) con
roscas hechas por medio de laminación. Los pernos de alta
resistencia son racionales incluso para aumentar las resistencias
de las junta, disminuyendo la longitud de las zonas
móviles de las bandas de carriles soldados y la cala
necesaria en las juntas. Los pernos de resistencia normal se
construyen con acero marca 35, y los de alta resistencia, con
acero aleado marca 40X. Los pernos pasan por un tratamiento
térmico. Las tuercas se producen con acero
fosfórico.

Para disminuir el debilitamiento en el apriete de los
tornillos, se utilizan arandelas de presión de
sección cuadrada, con lados entre 9 y 12 mm.

Las juntas pegadas garantizan la continuidad de las
bandas de carriles (por eso el concepto de junta se presenta algo
compleja).

La soldadura puede realizarse de varias tipos,
térmica; que no es más que una mezcla
mecánica de batidura de hierro (Fe3O4) y aluminio puro,
que al fundirse desarrolla una temperatura de 3000 ºC y
más (de este modo el aluminio sustituye al hierro y como
resultado se obtiene escoria de alúmina Al2O3 y se libera
el hierro). La soldadura puede ser además por gases y
eléctrica.

Por el método gaseoso, los extremos de los
carriles se calientan hasta un estado plástico utilizando
para ello; acetileno, gas natural, propano- butano, mezclado con
oxígeno. El proceso de calentamiento los dos extremos
fuertemente se comprimen uno con otro hasta que la temperatura no
se halle cerca de la temperatura de fusión del metal,
ocurre la soldadura, la cual se considera terminada sólo
cuando los extremos de los carriles no se hayan acortados en una
longitud determinada debido a la presión ejercida sobre
ellos. Esta soldadura se denomina gaso- presionada en estado
plástico del metal. La soldadura con derretimiento del
metal para carriles no se utiliza., ya que da malos resultados.
En la soldadura eléctrica se utilizan varios
métodos; por arco eléctrico, con el cual el metal
fundido con arco eléctrico ocupa el espacio entre las
soldaduras por piezas (método de baños) y el
contacto. Por contacto, los extremos de los carriles se calientan
por corriente eléctrica hasta la temperatura de soldadura
y después en carril se comprime uno con otro con una
fuerza de gran dimensión. Después de la soldadura
se procede a un tratamiento térmico.

Las juntas mecánicas tienen menos resistencia que
las soldadas En calidad de pegamento se utilizan resinas
epóxides.

El tiempo de vida de la junta aislante o conductora,
depende de la carga por eje, a la velocidad de circulación
e incluso a la tensión de carga de la línea,
también al clima imperante en la zona. También
influye la calidad de los mantenimientos de las vías y de
los equipos rodantes. Para aumentar la vida útil de estas
juntas las fijaciones deben ser construidas con un material de
buena calidad, en relación con las partes metálicas
es conveniente tomar medida contra la
corrosión.

(ver figuras en anexo).

2.3 Sustentaciones del carril.

Generalidades Las sustentaciones pueden hacerse
en forma de apoyos en bloques separados, distribuidos en cada
banda de carril de forma perpendicular, traviesa;
longitudinalmente al carril, marco o losa. Su función
fundamental:

  • a) recibir las cargas y presiones del carril y
    distribuirlas al balasto;

  • b)  mantener de forma invariable el ancho de
    cartabón y junto con el balasto mantener la
    alineación de la vía de forma correcta e
    invariable. En mayoría de los casos se utilizan
    traviesas.

  • c) mantener el aislamiento eléctrico
    entre los dos carriles.

  • d) Si las corrientes parásitas
    provenientes de la electrificación pueden perjudicar a
    las instalaciones enmarcadas en el entorno de la
    línea, la traviesa debe ofrecer características
    aislantes con el objeto de evitar los
    daños.

Para dar cumplimiento a las funciones antes mencionadas,
las traviesas deben cumplir con los siguientes
factores:

El largo y su ancho influyen sobre la estabilidad de la
vía en el plano vertical.

El ancho y el peralto influyen en la estabilidad de la
vía en el plano horizontal de forma transversal, en esto
también influye el peso de la traviesa.

Del peso y de sus dimensiones, también depende la
estabilidad longitudinal de la vía.

La traviesa deberá darle a la vía una
capacidad elástica para absorber las cargas
dinámicas, disminuyendo así, los gastos de
mantenimiento y reparación de las vías.

Las traviesas se clasifican según su material y
según su forma.

Material para la confección de las
traviesas.
El material para la confección de las
traviesas puede servir: metales, madera y hormigón y
materiales sintéticos. Las más utilizadas en el
mundo son las traviesas de madera. También son utilizadas
en muchos lugares las traviesas metálicas.

2.3.2.1. Traviesas de madera: Las traviesas de
madera tienen un sinnúmero de condiciones ventajosas.
Ellas son elásticas, se distribuyen por el balasto con
más facilidad y son manuables. Tienen formas simples que
garantizan un calzado fácil y la posibilidad de meterlo
bajo la traviesa.

Las especies de madera más utilizadas para la
confección de traviesas son: abeto, pino, alerce, roble,
quiebra hacha, caoba, haya, etc.

El roble, la haya, la caoba y el quiebra hacha
pertenecen a especies maderables dura, el pino y el abeto son
blandas y el alerce pertenece al grupo de las semi
duras.

Además de estas especies algunos países
utilizan también álamo, castaño,
ciprés, abedul, etc.

En la tabla II.5 se muestran las propiedades
mecánicas de algunas de estas especies en por ciento con
relación al abeto.

La madera utilizada como traviesa debe ser resistente y
fuerte, no tener defectos, que traigan consigo su deterioro, con
un peso específico superior a 750 Kg/cm3, una buena
capacidad de anclaje, para los tirafondos no menos de 4000 kg a
la extracción, un pequeño coeficiente de
contracción volumétrica, una adecuada elasticidad y
la propiedad de absorber hasta su profundidad sustancias
antisépticas, no deberán tener jorobas ni nudos.
(ver anexos)

Forma y dimensiones. La forma de la traviesa es
un paralelepípedo.

La sección transversal de la traviesa de madera
se establece partiendo de los siguientes criterios

Ver Anexos

El apoyo superior debe ser suficiente como para poder
colocar sobre ella las sillas, aunque esta

última debe ser más estrecha que el ancho
de la traviesa.

  • La parte inferior debe ser lo suficiente ancha como
    para que la presión sobre el balasto vaya disminuyendo
    y no ser extraordinario, para poder compactar y calzar debajo
    de la traviesa.

  • El espesor de la traviesa debe garantizar un momento
    de inercia y un módulo de sección necesarios
    teniendo en cuenta su desgaste y su pudrición, las
    reparaciones que sean necesarias en el periodo de
    explotación.

  • La forma de la traviesa debe ser tal que en el
    proceso de corte no se desperdicie madera.

La longitud de la traviesa depende más del
aspecto técnico que del económico, no obstante debe
ser racional. La longitud oscila entre 2400 y 2800 mm.

Tabla 2. 5 Características de algunas especies
maderables para traviesas.

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Las traviesas por la forma de elaborarla pueden ser:
elaboradas a cuatro o a dos caras.

Antisépticos utilizados. Para la
protección de las traviesas de madera contra la
pudrición, se utilizan varios antisépticos, como
son:

Cloruro de zinc. (Zn Cl2)

Fluorato de sodio (NaF). Las traviesas tratadas con este
tipo de antiséptico toman una coloración
negruzca.

La impregnación de las traviesas se realiza a
presión requiriéndose que la traviesa este al 85 %
como mínimo de saturación existen dos
métodos de impregnación, a célula llena y a
célula vacía.

Tiempo útil de la traviesa de madera. El
tiempo útil de una traviesa de madera depende de la
densidad de tráfico, de la carga por eje de los equipos
que circulen y de las condiciones climáticas. Una gran
influencia en este tema lo ejerce el mantenimiento que se le haga
a las mismas. La madera dura tiene una duración como
promedio entre 30 – 40 años, aunque existen excepciones,
pues las hay con mayor duración. Para madera blanda y semi
blanda, con un estricto mantenimiento sobre las vías y las
traviesas el máximo de vida útil es de 15
años.

Traviesas de hormigón. Las traviesas de
hormigón pueden ser armadas, pre tensadas y pos tensadas.
Su desarrollo en el mundo ferroviario se debe fundamentalmente a
la escasez de bosques y también por factores
económicos, ya que son más duraderas y requieren de
un menor gasto de mantenimiento.

En las traviesas de hormigón pre y pos tensado,
pueden usarse alambres o cables. Pueden ser mono bloques o bi –
bloques .

Las traviesas de hormigón no pretensadas son
sensibles a la formación de fisuras. Por eso no se les
debe transmitir grandes momentos flectores. En relación
con esto, este tipo de traviesa en forma mono bloque, no se
utiliza en la generalidad. Es más racional en este tipo de
traviesa utilizarla en forma de bi – bloque con una barra,
generalmente un angular entre los dos bloques, e incluso su uso
se limita a líneas de bajo peso por eje y de poca densidad
de tráfico.

La desventaja general de esta traviesa es la poca
área de transmisión de presiones al balasto, lo que
crea un aumento de presión sobre este último y la
corona de la explanada. Además la poca rigidez entre la
unión de los bloques da la posibilidad del desplazamiento
y su giro en relación de un bloque con otro y con ello la
variación de dimensión de la trocha o ancho de la
vía.

La traviesa que se considera más racional es la
traviesa mono bloque pretensada. Estas traviesas son más
fáciles de construir.

En Cuba utilizamos la traviesa mono bloque Cuba 73
producida en la Planta de Traviesas de hormigón de Santa
Clara a partir de una tecnología Soviética del
modelo C-56-3, que utiliza 44 hilos de alambre de alto
límite elástico tensado en frío de
resistencia nominal de 190 Kg./mm2, de 3 mm de diámetro de
perfil periódico, con un hormigón de marca 500.
Para el uso de tornillos de cabeza T se deja dentro del
hormigón una arandela de sujeción de acero
inoxidable y se construye un espacio vacío para que pueda
insertarse el tornillo. Para el uso de tornillos tirafondos se
deja un taco plástico o de madera embebida en el
hormigón, para mayor adherencia se enrolla un alambre
alrededor del taco en el momento de fundir el
hormigón.

Para disminuir la presión sobre el balasto los
extremos de las traviesas se construyen más anchos que su
centro, donde el ancho de la traviesa es de 245 mm mientras que
en los extremos es de 300 mm. Para aumentar la resistencia al
desplazamiento sobre el balasto, a la base de la traviesa en los
límites del centro se eleva en 10 mm y se le construyen
depresiones en forma cuadriculadas. El peso de la traviesa es de
250 Kg y del acero 6.9 Kg.

Las traviesas se calculan para cargas por rueda
simétricas de 147 KN a estabilidad y 117 KN a la
fisura.

(Ver figuras en el anexo).

Traviesas metálicas. Las traviesas
metálicas se construyen de acero, de hierro fundido y a
partir de carriles que no pueden ser utilizados en las
vías.

Las características de los aceros utilizados para
carriles se pueden ver en la tabla II. 6, y están regidas
por el proceso de fabricación que puede ser Thomas,
Bessemer ácido, Siemens- Martin básico, Siemens-
Martin básico, Eléctrico o Linz- Domwitz,
etc.

Formas y dimensiones de las traviesas de acero
laminado.
Las traviesas metálicas pueden ser mono
bloques y b bloques. Las traviesas bi bloques con un elemento de
arriostre entre bloques son en general de fundición y las
riostras de perfil laminado.

Las mono bloques de acero laminado tienen una
sección transversal semejante a una viga U.

(ver figura en el anexo)

Tabla 2.6 – Composición de química de
los aceros para traviesas

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Tabla 2.7. Dimensiones de las traviesas
metálicas laminadas
.

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Defectos de las traviesas y largueros.

Defectos de las traviesas y largueros de madera.
Los defectos que se producen en estos elementos son originados
fundamentalmente por agentes biológicos, ocurren con mayor
frecuencia en el área bajo los carriles y se desarrollan
debido al esfuerzo cíclico a que se ven sometidos. Otros
defectos son producidos por la acción mecánica del
carril al paso del tren, que provoca aplastamiento en la
superficie bajo el carril o la silla, que produce fisuras y
roturas de esa capa. 2.3.3.2. – Defecto de las traviesas de
hormigón.
Los tipos de defectos que podemos encontrar
en las traviesas de hormigón se clasifican en 6
grupos:

En el grupo 1 se presentan las fisuras, excepto
con descubrimiento del acero, así como fisuras
horizontales longitudinales en la parte media y en el área
bajo el carril.

En el grupo 2 se encuentran los
desconchados.

En el grupo 3, el deterioro de la traviesa con
descubrimiento del acero, así como también fisuras
horizontales longitudinales en la parte media y bajo el
carril.

En el grupo 4, se hallan las partiduras o
flojedad en el acero.

En el grupo 5 defectos en los orificios o en los
tacos.

En el grupo 6 Otros defectos.

2.4.- La capa de balasto. Funciones del
balasto. La superestructura en su conjunto.

La capa de balasto es la masa pétrea
granular colocada sobre la explanada y debajo de los
campos.

Funciones del balasto

La función fundamental del balasto
es:

  • Garantizar la estabilidad de la
    vía en su conjunto tanto vertical como horizontal,
    asumiendo las cargas horizontales transversales y
    longitudinales y las verticales, sin que con ello se acumulen
    deformaciones residuales.

  • Transmitir las presiones asimiladas a
    través de las traviesas, a un área más
    amplia posible de la corona de la explanada.

  • Participar en el aseguramiento de la
    elasticidad necesaria a la base del carril.

La capa de balasto no debe contener agua en
su superficie que propicie la dilución y el derrame de la
explanada, así como su humedecimiento. El material para el
balasto debe ser resistente y estable bajo la acción de la
carga, ser resistente a la abrasión (no triturarse y no
pulverizarse) al compactarse, ser resistente a las variaciones
climáticas, no permitir el crecimiento de
vegetación, poseer propiedades dieléctricas, ser
duradero y económico.

Materiales utilizados como
balasto.

Los materiales más utilizados como
balasto son: piedra picada (graníticas, ofíticas,
calizas, basálticas, etc). Gravas, arenas, escorias,
asbesto y rocas metamórficas.

El mejor material para balasto es la piedra
picada de roca ígnea, aunque la caliza es bastante
utilizada. La roca debe ser resistente al impacto.

La resistibilidad se mide en distintas
unidades de medida según los estudios realizados por cada
uno de los que han experimentado con estos materiales.

Según Deere y Miller, el balasto de
piedra se clasifica en:

Tabla 2.8 Resistencias exigidas para el
balasto

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La grava utilizada como balasto puede ser
de dos tipos, la grava de cantera (natural) y la grava bien
graduada.

La grava de cantera de cantera

Debe tener partículas entre 3 y 60
mm, en no menos de la mitad de su peso total, deberá tener
no menos del 20% y no más del 50% de partículas de
arena, no menos del 50% de granos de cuarzo, las
partículas menores de 0.1 mm que estén en su
composición no deben exceder el 6%, incluyendo en este
volumen las arcillosas (dimensión menor de 0.005 mm) en no
menos del 1% del peso. Las partículas entre 60 y 100 mm,
se permiten sólo en un 5% del volumen total.

Se recomienda la utilización de
gravas bien graduadas, las cuales se componen de
partículas entre 5 y 40 mm y se obtiene por la vía
del tamizado de las partículas indeseables y menores o
mayores que la granulometría antes mencionada.

Tabla 2.9 Composición
granulométrica de las gravas bien
graduadas
.

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La grava bien graduada en, menor escala
tiene menos calidad que la piedra picada

En calidad de balasto se utiliza
también la arena de grano grueso que contiene
partículas entre 1 y 3 mm, en no menos del 50% del peso
total y arena de grano mediano, cuyas partículas menores
de 0.5 mm deben estar en no menos del 50% del peso total no se
permite en el contenido de la arena para balasto la arena de
grano fino.

El balasto compuesto por arenas es menos
resistente que el balasto de grava. Es más movible y por
eso se requiere de más gasto de fuerza de trabajo en el
mantenimiento de la vía.

Donde ( es el ángulo formado por el
talud y la altura del prisma de balasto y su valor se encuentra
entre 30 – 40º en Cuba se utiliza 36º.

Capa de sub balasto. En algunos
ferrocarriles se coloca debajo de la sub rasante (nivel de la
explanada), una capa de 30 cm denominada sub balasto. Esta capa
se construye con arena con el fin de economizar piedra y para la
prevención de la penetración de la piedra en la
explanada y la elevación por sifonamiento de las capas
superiores de la explanada debido a la penetración de la
piedra y la unión de ésta con el aguas formando los
llamados baches zapateados.

2.5 – La superestructura en su
conjunto

Gálibos. El gálibo es la
configuración de la sección transversal de la
vía férrea conformada por dos líneas
paralelas a su eje vertical y dos líneas paralelas a la
línea que forma la superficie de los carriles.

Los gálibos son de tres tipos: de equipos, de
carga y de construcción.

Los dos primeros delimitan hasta que punto tanto en el
plano vertical como en el horizontal, las cargas y los equipos no
pueden sobre salir de su silueta.

El tercero determina hasta que punto se pueden construir
instalaciones que no penetren dentro de su silueta.

En Cuba se estableció la norma NC
1840 sobre los gálibos, para vías con trocha de
1435 mm.

Se utilizan los siguientes
gálibos:

GE – I Gálibo de equipo, se
establece para vías en recta y en rasante, no
electrificadas.

GE – II. Gálibo de equipos para
vías en recta y rasante, electrificadas.

GC. Gálibo de carga. Para las cargas
existen tres niveles.

a. – Carga normal, las cuales ocupan el
espacio limitado por el equipo.

b. – Carga extraordinaria de primer nivel,
que sobre sale del equipo pero con dimensiones permisibles y que
su circulación por las vías están limitadas
a determinada velocidad y por determinadas
vías.

c. – Cargas extraordinarias de segundo
nivel, que sólo pueden circular por determinados lugares,
acompañadas por personal experimentado

GCN. – Gálibo de construcción
para vías principales y patios del ferrocarril
público.

GCN – 1 Gálibo de
construcción para vías interiores de
industrias.

Como ya se expresó anteriormente,
todas las medidas del gálibo se refieren en el plano
vertical desde el eje de la vía hacia los laterales y en
el horizontal desde el nivel del carril. (ver anexos)

También en esta norma se establecen
las distancias entre vías para las distintas líneas
y ramales.

Tabla 2.10. Norma de construcción
de
entrevías.

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Cálculo de los desplazamientos de
los equipos al circular por una curva
.

Desplazamiento de los extremos.

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a. – Distancia entre centros de bogies en
mm

ne. – Distancia desde la sección
considerada en mm

d. – Distancia entre las pestañas de
las ruedas de un mismo eje con máximo desgaste 1410
mm

R. – radio de la curva en mm

q. – Máximo desplazamiento
transversal del pedestal en mm

w. – Máximo desplazamiento de la
viga central. Se asume 80 mm.

p. – distancia entre ejes extremos de un
bogie.

Desplazamiento del centro del
equipo.

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nc. – distancia de la sección
considerada (centro del equipo) al centro del bogie más
cercano, en mm.

Desplazamiento de los equipos debido a la
superelevación de las curvas.

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H. – altura sobre la corona del carril
interior de la curva en la zona donde se interesa conocer el
gálibo en mm.

h. – Superelevación o peralto en
mm

S1. – Distancia entre ejes de carriles
(para vías de trocha 1435 mm, S1 = 1500 mm)

Categoría de las vías.
Cada ferrocarril clasifica sus vías teniendo siempre como
patrón los parámetros determinantes, que son
aquellos que permiten por si solos, según los valores que
alcancen clasificar las superestructuras de la vía
férrea, estos parámetros son: velocidad, carga por
eje y densidad de tráfico bruto anual.

Existen los parámetros derivados,
los que una vez clasificadas las vías permiten tipificar
las superestructuras de las vías, ellos son: peso del
carril por unidad de longitud; tipo de balasto y su espesor y
tipo de traviesas y su cantidad por km.

En Cuba se clasifican las vías
en:

Tabla 2. 11. Clasificación de las
vías férreas en Cuba
.

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CAPITULO III. –

Diseño
geométrico de vías férreas

3.1. – Significado y
características del trazado del ferrocarril.
Se
denomina trazado de la vía férrea al eje
longitudinal de la explanada. El trazado de la vía
comprende la planta y el perfil longitudinal. El trazado
está compuesto, tanto en planta como en perfil; por tramos
rectos unidos entre sí por tramos curvos. Lo idea
sería poder realizar un trazado recto entre dos puntos,
pero eso no es totalmente posible debido a dos factores, uno que
en los trazados se encuentran obstáculos que a veces son
insalvables que hay que evadir y otro que las locaciones que se
unen no siempre se encuentran en línea recta uno del
otro.

La explanada del ferrocarril de la que ya
hablamos en el capítulo I, se diferencia de las de
carretera porque su configuración es plana en su
superficie y mantiene esa forma tanto en rectas como en curvas
dado que el peralto se construye con el balasto y no con la
propia explanada como ocurre en la carretera.

Las alineaciones curvas se caracterizan por
su radio, su longitud y su ángulo de
inflexión.

Los radios de las curvas de la vía
férrea se caracterizan por ser de gran dimensión.
Esto se fundamenta por varias razones.

a. – Las curvas de pequeño radio
hacen que los trenes disminuyan su velocidad.

Esto se debe a que la velocidad de
circulación de los trenes depende del radio de curva, como
veremos en el siguiente ejemplo:

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Para el caso de que la
superelevación máxima sea de 150 mm. K =
4.6

b. – Aumento de los desgastes y deterioro
del carril y las ruedas del material rodante.

El aumento del desgaste tanto en las ruedas
como en el carril, se debe al rozamiento que se produce al
resbalar e impactar las ruedas contra el carril exterior al
entrar en las curvas.

c – Disminución del coeficiente de
adherencia entre rueda y carril en radios menores o igual a 400 m
que provoca una disminución de las fuerzas tractivas. Esto
trae como consecuencia que se tenga que disminuir el peso del
tren o la utilización de varias locomotoras para
transportar las cargas.

d. – Alargamiento de las vías. La
longitud de la vía aumenta con la disminución del
radio o el aumento del ángulo de inflexión.
Así para un ángulo de inflexión ( =
60º, la disminución del radio de: R1 = 1000 m a R2 =
600 m, la longitud del tramo aumenta en más de 40 m y al
disminuir el radio a R3 = 400 m, aumenta adicionalmente en 20 m y
con el aumento del ángulo de inflexión a 90º,
los correspondientes alargamientos son en el orden de los 85 y
170 m respectivamente.

e. – Aumento de los gastos de
explotación. A menor radio y provocarse mayor desgaste los
gastos de explotación aumentan.

3.2. – Elementos de la planta. Curvas
circulares simples.
Para diseñarla planta de una
vía férrea se hace necesario conocer los requisitos
que exigen las normas de diseño para cada uno de los
elementos de la curva.

Tabla 3.1. Radios mínimos de
curvas horizontales

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En vías con traviesas de
hormigón no se admiten curvas con radios menores de 350 m,
si las fijaciones que se utilizan no permiten dar sobre
ancho.

Las curvas pueden ser circulares simples y
circulares con transición y éstas pueden ser
sencillas cuando están compuestas por un solo radio y un
solo ángulo de inflexión y compuestas o adyacentes
cuando tienen más de un radio y un ángulo de
inflexión. Las compuestas o adyacentes a su vez pueden ser
en una dirección o en dos, a esta última se le
denomina reversa. Curva circular simple

Las funciones y puntos notables de las
curvas circulares simples y sencillas son:

R – Radio de la curva circular.

T. – Tangente de la curva. Distancia desde
el PC o PT al PI

E. – Externa, distancia desde el arco en el
centro del desarrollo de la curva hasta el punto de
inflexión PI

M. – Mediana, distancia desde el centro de
la cuerda máxima hasta el centro del desarrollo de la
curva

CM. – Cuerda máxima, distancia desde
el punto de comienzo hasta el punto final por la
cuerda.

D. -. Desarrollo, distancia desde el PC al
PT por el arco. Longitud de la curva.

PC. – Punto de comienzo de la
curva.

PM. – Punto medio, ubicado en el centro del
desarrollo.

PT. – Punto de término, final de la
curva.

PI. – Punto de inflexión.

(. – Angulo de inflexión.

A las curvas adyacentes en un sentido se le
agrega:

PCC. – Punto de unión de las dos
ramas curvas

A las curvas adyacentes en dos sentidos se
le agrega:

PCR. – Punto de unión de las dos
ramas.

El cálculo de las funciones de la
curva circular simple se determina por las
expresiones:

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Curvas con transición: Las
curvas de transición sirven para unir los tramos rectos
con las curvas circulares, sus objetivos fundamentales
son:

Asegurar la variación de la fuerza
centrífuga desde la recta hasta un valor igual

en la curva circular.

Permitir el desarrollo de la
superelevación y el sobre ancho.

En estas curvas el radio varía de
infinito en el punto de tangencia al valor del radio de la curva
circular. Se logra con esto que en cada punto de la
transición haya un valor de superelevación
correspondiente al valor del radio en dicho punto.

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La longitud de la curva de
transición depende de los siguientes factores:

– Radio de la curva circular (R)

– Categoría de la
vía.

– Velocidad de
circulación.

Las funciones y puntos notables de las
curvas de transición se determina por toda una serie de
condiciones relacionadas con:

  • Intensidad del incremento de la
    superelevación.

  • Limitación de las fuerzas
    surgidas al entrar el vehículo en la curva en la
    unión de transición.

  • Práctica del mantenimiento de la
    curva en explotación.

La longitud de la curva de
transición se determina basándose en tres criterios
relacionados con la intensidad del incremento de la
superelevación.

  • Evitar el descarrilamiento en las
    bandas interiores.

  • Reducir la velocidad con que sube la
    rueda por la superelevación del carril
    exterior.

  • Reducir la intensidad de cambio de la
    aceleración centrífuga no
    compensada.

  • Necesidad que el valor del peralto "h"
    sea menor que la altura mínima de la pestaña de
    la rueda.

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Donde: k – altura de la pestaña en
mm

L – distancia entre ejes extremos de los
bogies en mm

Se establece que la intensidad de la
superelevación sea igual a 10/oo, valor que en condiciones
difíciles se aumenta hasta un 2º/oo y en condiciones
sumamente difíciles y previa justificación avalada
a un máximo de 30/00

En vías de alta velocidad (
10/00

En estas condiciones la longitud de
transición será:

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Donde h – superelevación en
mm

i – intensidad de incremento de la
superelevación admisible.

Las funciones y puntos notables de las
curvas de transición son:

TS – tangente espiral o comienzo de la
curva de transición.

SC – espiral – circular, punto donde
termina la espiral y comienza la circular.

CS – circular espiral final de la circular
– comienzo de la segunda rama de la espiral.

ST – espiral – tangente, final de la
segunda espiral, comienzo de la recta.

Para calcular la curva de transición
se utilizan varios métodos, veremos sólo el
método de los desplazamientos.

Este método consiste en mantener el
mismo radio de la curva circular en explotación,
desplazando su posición aumentando el radio en una
distancia ( (denominada retranqueo o desplazamiento) hacia el
interior de la curva. El PC y el PT se colocan en un punto
desplazado en igual distancia hacia adentro de la
curva.

Al desplazarse el centro de la curva
existente a un punto de la curva nueva, la transición
tiene por pendiente el ángulo.

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Este es valor en el final de la curva de
transición.

Se determinará el punto final de la
curva de transición SC y CS y a su vez se
determinará en el eje de las X un punto T que se encuentra
a una distancia del punto de la inflexión de la curva
original.

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Las curvas circulares con transición
también pueden ser compuestas y sus características
son iguales que las circulares simples, con la diferencia de que
tienen tramos de transición entre las curvas
adyacentes.

En la actualidad cuando se construyen
curvas adyacentes, entre ellas se coloca un tramo recto, donde se
construye la transición; cuya longitud es:

Tabla 3.2. Longitud mínima de
tramos rectos en curvas adyacentes

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Peralto. En las curvas, el carril
exterior se eleva con respecto al interior para que al entrar el
equipo en ella no sufra los efectos de la fuerza
centrífuga. Esta elevación compensa las cargas
verticales y disminuye la presión lateral de la rueda
sobre el carril exterior. Al entrar el tren en la curva por la
inercia, trata de sacar al vehículo fuera de la vía
lo que provoca un impacto en el carril exterior con las
pestañas de las ruedas, a esta fuerza se le denomina
fuerza centrífuga y su valor es igual a:

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Si el carril se colocara en un mismo nivel,
la resultante de la fuerza centrífuga y del peso se
inclinaría hacia la parte externa de la curva, recargando
este carril. (Ver anexo)

Para equilibrar la influencia de la fuerza
centrífuga se eleva el carril exterior y de esta forma
como se expresó anteriormente también se equilibran
las cargas en ambos carriles. Debido a la inclinación del
equipo surge una componente del peso dirigida hacia el interior
de la vía denominada fuerza centrípeta, que es
igual a:

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Como todos los trenes no tienen las mismas
condiciones ni circulan a igual velocidad, se utiliza una
velocidad media.

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Distribución del peralto en las
curvas.

Distribución del peralto en las
curvas circulares simples.
Para distribuir el peralto en las
curvas circulares simples se utilizan tres
métodos:

1. – Todo el peralto se distribuye en la
recta.

Con este método el equipo al entrar
en el tramo de recta peraltado se recarga sobre el carril que no
se encuentra peraltado, provocando desgaste en este
carril.

2. – Todo el peralto se distribuye en la
curva.

Con este método al llegar el equipo
al inicio de la curva su rueda delantera impacta con el carril
exterior de la curva, lo que puede provocar desplazamiento del
carril o de la vía en su conjunto.

3. – Parte del peralte se distribuye en la
recta y parte en la curva.

Con este método, se producen los
efectos de los otros dos métodos.

Sobre ancho. El sobre ancho se
utiliza para suavizar la inscripción de los equipos por
curvas de pequeño radio. Se utilizan en curvas cuyo radio
es menor de 350.0 m.

Según las normas, el sobre ancho se
realiza en:

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La distribución del sobre ancho se
realiza de la misma forma que se distribuye el
peralte.

3.3. – Elementos del perfil
longitudinal.

Definición.

El perfil longitudinal es el corte
longitudinal del trazado de una vía. En el se representan
las líneas del terreno natural y de la superficie de la
corno de la explanada en los nuevos diseños y en los
diseños de vías en explotación la
línea que representa a la superficie de la corona del
carril existente y el del carril proyectado. En las curvas se
traza la línea correspondiente al carril
interior.

El perfil se compone de planos horizontales
o rasantes y planos inclinados, pendientes o rampas, así
como la unión entre dos planos que se realiza mediante
curvas verticales o con elementos rectilíneos de
inclinaciones variables.

La curvatura de los elementos del perfil
determina la inclinación "i" que se mide en
milésimas (º/oo) y representa la relación
entre la diferencia de nivel de dos puntos del trazado en m y la
longitud entre ellos en Km. De otro modo podemos decir que la
inclinación de un elemento representa la tangente del
ángulo que forma el horizonte con el trazado
inclinado

Si la tan ( es 0.010, el valor del plano
inclinado es de 10 º/oo (10 por mil).es decir que en 1 km.
la diferencia de nivel es de 10 m.

La longitud de los elementos del plano
inclinado para una pequeña curvatura, utilizados en los
ferrocarriles, se identifica como su proyección en el
horizonte de la línea. El error que se puede producir es
muy insignificante. Incluso con una gran inclinación del
30 º/oo el ángulo es igual a 1º43" y con ello la
diferencia entre la longitud del elemento del perfil y su
proyección en la horizontal es de 4 cm cada 100 m. (ver
anexos)

Longitud y uniones de los elementos del
perfil.
Para disminuir la ejecución del movimiento de
tierra así como de las obras de fábrica, es
conveniente diseñar perfiles longitudinales con elementos
cortos de distintas curvaturas que se correspondan con la
configuración de la superficie del terreno natural. Sin
embargo con esto surgen desventajas de explotación
sustanciales.

Al circular un tren desde un elemento a
otro del perfil con variación de inclinaciones,
varía el valor de las fuerzas resultantes aplicadas al
tren y a medida que la variación sea mayor, mayor
será esta diferencia que influye considerablemente en la
marcha del tren.

Longitud mínima de los elementos
del perfil.
En el ferrocarril se requiere que la longitud de
los elementos que componen el perfil tenga una longitud adecuada
para evitar que el tren esté al mismo tiempo en varios
elementos. Por ello se ha normado lo siguiente:

Valores permisibles de las inclinaciones
y los cambios de planos inclinados.
Los valores de las
inclinaciones y la diferencia de los planos inclinados en el
ferrocarril son limitados debido a que los trenes pueden sufrir
deformaciones de sus elementos de enganche, así como
pueden afectar la capacidad tractiva de sus locomotoras. Tanto la
inclinación como sus diferencias dependen de la
categoría de la vía por las cuales
circulan.

Tabla 3.3. Longitud mínima de los
elementos del perfil

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Tabla 3.4. Inclinación
máxima o pendiente dominante

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En condiciones difíciles y de
permitirse la tracción múltiple, la
inclinación máxima o pendiente dominante del tramo
será el resultado de multiplicar el valor de pendientes
mostrados en la tabla anterior por un coeficiente que se muestra
en la tabla siguiente:

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Estos indicadores deben cumplirse con rigor
por las consecuencias en la explotación ya
indicada.

En la práctica se utilizan dos tipos
de diseño del perfil, que garantizan la suavidad necesaria
del movimiento del tren.

Cuando la diferencia algebraica es menor de
3 º/oo, no se construyen curvas verticales pero si pasan de
este valor se puede diseñar `por dos
métodos.

En la práctica se utilizan dos tipos
de diseño del perfil, que garantizan la suavidad necesaria
del movimiento del tren.

1. – Diseño del perfil por tramos
rectilíneos.

2. – Diseño del perfil por tramos
curvilíneos.

Diseño del perfil por tramos
rectilíneos
Con este método se diseñan
los cambios de planos inclinados con diferencias algebraicas
menores de lo exigido por la norma y lo más largo
posibles. En correspondencia con las normas éstos
elementos no deben ser menores que la mitad de la longitud de los
trenes de cálculo, tomados en la perspectiva de que la
diferencia algebraica de los planos inclinados de los elementos
adyacentes no debe superar la norma, en dependencia de la
categoría de la vía proyectada y la longitud
útil de las vías de recepción y
expedición o lo que es lo mismo, la longitud de
cálculo del tren.

Si los elementos que se van a unir tienen
una diferencia mayor que la exigida por las normas se
diseña entre ellos un tramo divisorio que haga que la
diferencia algebraica sea igual o menor que la norma.

Cuando la diferencia entre dos planos
inclinados de diseño rectilíneo es mayor de
3º/oo se construyen curvas verticales con radios cuyos
valores dependen de la categoría de la
vía.

Tabla 3.7. Radios de curvas verticales
permisibles

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Diseño del perfil
curvilíneo
El perfil curvilíneo contempla el
diseño de la unión de los elementos adyacentes por
la vía con un paso suave de uno a otro plano inclinado,
directamente con tramos cortos li que poseen una variación
de inclinaciones en un valor no muy grande (i. este perfil
representa un polígono de iguales lados inscriptos en una
curva de gran radio.

La longitud de los elementos del perfil
curvilíneo li, tiene un valor múltiplo de 25 m y la
diferencia algebraica (i es en múltiplo de 0.1º/oo.
En correspondencia con las normas, la proyección de la
longitud de los elementos curvilíneos deben ser en general
no menor de 50.0 m y en casos extremos no menor de 25.0 m. la
diferencia algebraica (i no debe ser mayor de 1.0 º/oo en
líneas de I categoría; 1.5 º/oo, en
vías de II y 2.0º/oo en el resto de las
vías.

Para los valores de longitud y diferencia
algebraica indicados, limitados por las normas; el menor valor de
radio de la curva vertical en la que se inscribe el perfil
curvilíneo es de 25000 m, En correspondencia con las
normas, la longitud total de esta unión no debe ser menor
que la longitud obtenida al diseñar el perfil de tramos
rectilíneos con curvas circulares verticales. Por
consiguiente la longitud mínima de la unión del
perfil curvilíneo será:

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3.4. – Elementos de planta y perfil en
los patios y ubicación de sus carrileras.

Ubicación de las carrileras.
Los patios con desarrollo vial, las estaciones, vías de
pasos y apartaderos; sirven para el cumplimiento de las
operaciones técnicas y de carga, así como para dar
pasos y cruces. La planta y el perfil deben satisfacer las
condiciones de ejecución de estas operaciones.

La longitud de las áreas de patios
se determina esquemáticamente por su desarrollo vial y la
longitud útil de las vías de recepción y
expedición.

Elementos de la planta de los
patios

Las más favorables condiciones para
el cumplimiento de las operaciones en los patios se garantizan
cuando se ubican sus carrileras en tramos rectos. Sólo en
condiciones difíciles, cuando el emplazamiento de los
patios en la recta trae consigo un aumento considerable del
volumen de movimiento de tierra o un alargamiento de la
línea; se permite ubicarlos en curvas con valores de radio
mayores de 1200 m y en condiciones topográficas muy
difíciles de 600 a 500 m de radio.

En los patios diseñados para la
circulación de trenes que circulan a velocidad mayor de
120 a 160 kph, los radios de curva en los límites de la
vía principal de los patios deben ser de igual
dimensión que en los tramos o trechos, es decir; no menor
de 2000 m y en condiciones difíciles 1500 m.

La ubicación de patios trazados en
varias curvas puede permitirse cuando las curvas se dirigen en un
solo sentido, para ello el tramo recto entre las dos curvas se
diseña como en el trecho. El diseño de patios
trazados en curvas en dos sentidos sólo se permita si los
radios de curva y la longitud de los tramos permiten la
visibilidad absoluta de los trabajadores del tren.

Elementos del perfil de los patios.
Los patios y apartaderos de cruces y pasos deben diseñarse
preferentemente en rasante. Sólo en condiciones
difíciles del relieve con el fin de disminuir el volumen
de movimiento de tierra se permite ubicar los patios en planos
inclinados. Para esto debe garantizarse el arranque de los trenes
del lugar, buenas condiciones para la realización de las
maniobras, posibilidad de detener la marcha sin inconvenientes en
los límites de la longitud útil y la seguridad de
la permanencia de los trenes sin que se corran.

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En los patios y apartaderos donde se
efectúan maniobras no se permiten inclinaciones mayores de
1.5º/oo y en casos de topografías difíciles
2.5 º/oo. En apartaderos donde sólo se realizan pasos
y cruces se permiten inclinaciones mayores de 2.5 º/oo,
previa justificación

Conjunción de la planta y el
perfil.
Al diseñar una vía, debe tenerse en
cuenta evitar la coincidencia de tener en un mismo lugar curvas
verticales y horizontales y de no poder evitarse tratar de que
sean lo más suave posibles para disminuir la resistencia
al movimiento por estos dos conceptos.

Representación del
perfil.

El perfil se representa en un plano a
escala. La horizontal se toma en 1:10000 y le vertical en 1:1000.
se incluye un perfil ingeniero geológico.

El plano tiene:

Trazado del terreno natural, se traza la
representación del terreno natural por el eje de la
vía proyectada, indicando las obras de fábrica a
diseñar.

Trazado diseñado, se traza el eje de
la explanada.

Tipo de suelo, se muestra el tipo de suelo
por donde se realiza el trazado…

Situación del trazado, se traza una
faja de deseo de aproximadamente 25 m, a escala; a cada lado del
eje de la vía donde se indica todo lo que se encuentra
dentro de ella

Características ingeniero –
geológicas, se hace un esquema de la geología de la
zona.

Cotas de nivel de la explanada

Planos inclinados

Cotas de nivel del terreno
natural.

Distancia entre cotas de nivel del terreno
natural.

Piquetaje, tramos de 100 m de
longitud.

Planta.

Puntos kilométricos

3.5. – Tipos de planos inclinados
Los planos inclinados se conocen como pendientes y
rampas.

Son pendientes cuando los vehículos
circulan de un plano alto a uno bajo. Se le da un valor negativo
pues es contraria a la resistencia a la marcha del tren y rampa
cuando se circula de planos bajos a planos altos, se considera
positiva.

A partir de ahora llamaremos a los planos
inclinados sólo como pendientes y especificaremos cuando
es rampa y cuando pendiente.

Las pendientes en el ferrocarril pueden
ser:

Pendientes dominantes, la pendiente
máxima de diseño permisible, ya la estudiamos,
donde además vimos las pendientes permisibles según
la categoría de la vía.

Existen además otras pendientes que
son mayores que la dominante, pero que su utilización se
ve limitada por el tipo de vía y sus
características.

Hay dos grupos de pendientes, pendientes
limitantes y pendientes de proyecto.

1. – Las pendientes limitantes son las que
determinan la mayor inclinación posible: pendiente
dominante, ya estudiada (id); pendiente de equilibrio (ie),
pendiente de tracción múltiple (iTM) y pendiente de
inercia (ii)

Las pendientes de proyecto son las que
permiten diferentes influencias sobre el balance
energético del tren en movimiento. Pendiente perjudicial
(iP), pendiente beneficiosa (iB), así como utilizadas en
diferentes cálculos, como: pendiente promedio (imed),
llamada en los cálculos pendiente transformada o
enderezada; pendiente equivalente, la que tiene en cuenta las
curvas horizontales (ieq)y la pendiente efectiva o natural (in),
que es la pendiente de la topografía de la
zona..

Pendientes limitantes

Pendientes de equilibrio. Pendientes
que se utilizan en tramos donde la carga es en una sola
dirección, en la dirección de cargado la pendiente
es la dominante y en la dirección de vacío la
pendiente es mayor que la dominante.

Pendiente de tracción
múltiple
Pendiente mayor que la dominante que requiere
para mantener la circulación de la carga proyectada de la
utilización de más de una locomotora (vera
epígrafe 3.3.2.2)

Pendiente de inercia. Pendiente
mayor que la dominante que para superarla se requiere del trabajo
de la fuerza tractiva y el uso de la energía
cinética del tren. Estas pendientes son efectivas cuando
los tramos que le anteceden son pendientes en las que el tren
llega a acumular gran velocidad, acumulando una gran
energía cinética con la que supera a la
rampa.

La pendiente de inercia a diferencia de las
otras pendientes limitantes no puede ser utilizada en tramos de
longitud ilimitada, ya que el tren al circular por ella se mueve
lentamente a la velocidad mínima continua o a la velocidad
mínima horaria, así que la longitud de esta rampa
se relaciona muy estrechamente con el valor de su pendiente. La
longitud del tramo de inercia li para una inclinación ii
se determina con la siguiente expresión:

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El cálculo puede realizarse teniendo
como dato la pendiente de inercia ii y con ello hallar la
longitud li o a la inversa. Teniendo en cuenta que si el tren no
circula a la velocidad establecida por el punto de inicio de la
pendiente de inercia, existe el peligro de que él se
detenga antes de llegar al final del tramo de inercia, por este
motivo esta pendiente se construye sólo en caso
extremo.

Pendientes de proyecto.

Pendiente perjudicial (ip). Si el
tren al circular por una pendiente (descendiendo) de gran
inclinación y debido a las fuerzas aplicadas a él,
aumenta su velocidad, si la longitud es suficientemente larga, la
velocidad puede llegar hasta el valor máximo permisible de
velocidad1en el tramo, después de esto, para evitar un
aumento de velocidad mayor es necesario aplicar los
frenos.

En caso de frenado, parte de la
energía potencial acumulada por el tren se trasmite al
trabajo de fricción de las zapatas o las llantas de las
ruedas del tren o en energía calorífica de los
reóstatos. Por eso a los tramos con esta
inclinación en la cual se utiliza este frenado se le
denomina pendiente perjudicial.

Pendiente no perjudicial o beneficiosa.
(ib)
Esta pendiente es aquella en la que para llegar al final
del tramo, no es necesario utilizar el frenado y así el
tren no supere la velocidad máxima establecida en el
tramo.

Pendiente media (imed) Es la
pendiente determinada entre las cotas de dos puntos extremos, sin
tener en cuenta las cotas de los puntos intermedios.

Pendiente equivalente (ieq). Es la
sumatoria de la pendiente natural de un tramo y el efecto de
pendiente que provoca la resistencia que les hacen las curvas
horizontales en ese mismo tramo.

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Pendiente transformada o ficticia.
Es la suma de varias pendientes de igual signo y valores
semejantes, a las que se le adiciona la pendiente equivalente por
curvatura. Para unir estas pendientes, debe cumplirse que el
valor de la longitud del tramo analizado sea menor que la
relación entre 2000 y la diferencia de la pendiente
hallada y la pendiente del tramo analizado. La pendiente
transformada de un tramo unido se halla como la media ponderada
del producto de cada pendiente por la longitud del tramo total
del tramo unificado.

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3.6. – Cálculo de la marcha del
tren
.

Fuerzas que actúan sobre la
marcha del tren
. Sobre la marcha del tren actúan
fuerzas que ayudan a su movimiento y otras que no permiten que se
mueva.

Las fuerzas que ayudan al movimiento del
tren son: la fuerzas tractivas.

Las fuerzas que resisten al movimiento del
tren son: las fuerzas de resistencia y la fueraza de
frenado.

Fuerza tractiva. Las fuerzas
tractivas se originan como resultado de la interacción
entre las ruedas y el carril. Como pudimos observar en el
Capítulo I, las locomotoras diesel eléctricas y
eléctricas tienen en cada eje motriz un motor
eléctrico de tracción, las locomotoras de vapor
tienen un eje directriz que es movido por el vapor que circula a
través del sistema de tuberías, este eje mueve una
barra que une al resto de los ejes.

La fuerza tractiva depende de la adherencia
que se produce entre las ruedas y el carril, por lo que la fuerza
tractiva generada por la locomotora no puede ser mayor que la
fuerza de adherencia. De no ser así, las ruedas
patinarían provocando desgaste en el carril o en el plano
de rodamiento de las ruedas la fuerza de adherencia es igual
a:

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Esta ecuación nos muestra que a
mayor velocidad menor es el coeficiente de adherencia y por ende
menor es la fuerza de adherencia y la fuerza tractiva.

El coeficiente de adherencia depende
también del radio de curvatura y para R( 500 m, el valor
del coeficiente de adherencia es como sigue:

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Donde: R – es el radio de la curva en
m

Cada tipo de locomotora tiene una curva o
nomograma de su fuerza tractiva que depende de la velocidad que
desarrolla el equipo.

Las fuerzas tractivas pueden ser totales o
unitarias, estas últimas son las utilizadas para el
cálculo tractivo y de la marcha del tren. La fuerza
tractiva total se representa como Fk y se mide en Kg.

La fuerza tractiva unitaria se representa
como fk y se mide en Kg/Ton

La relación entre una y otra es como
sigue:

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Donde:

P. – peso de la locomotora en T

Q. – peso de los vagones en T

Fuerzas de resistencia. Las fuerzas
de resistencia tienen varios orígenes. Pueden ser
fundamentales, cuando son originadas por el propio equipo
y siempre se van a tener en cuenta en el cálculo y
adicionales, las que se presentan en determinadas
condiciones por elementos ajenos al equipo, pero que influyen
sobre ellos.

Resistencias fundamentales. Las
resistencias fundamentales pueden ser:

a. – Resistencias provocadas por la
fricción entre los elementos motrices de la locomotora y
la interacción rueda – carril.

b. – Resistencia que ofrecen los vagones
para ser arrastrados. Peso, fricción entre ruedas y carril
y entre los ejes y sus cojinetes.

Resistencias adicionales. Las
resistencias adicionales pueden ser:

a. – Provocadas por el viento sobre la
carrocería

b. – Los planos inclinados

c. – Las curvas horizontales.

d. – Los defectos en las vías o en
las ruedas.

Al igual que en las fuerzas tractivas
pueden ser totales o unitarias.

Según el régimen de marcha
pueden ser:

En régimen tractivo o con
tracción

En régimen sin tracción o con
regulador cerrado.

En régimen con tracción se
representan (W0 y w0)

En régimen sin tracción se
representan (Wox y wox)

La fuerza de frenado es la encargada de
detener al tren cuando se encuentra en marcha, siempre se va a
utilizar en régimen con regulador cerrado, es dirigida
siempre en dirección contraria a la marcha del
tren.

La estudiaremos en epígrafe
aparte.

Resistencias fundamentales unitarias de
los distintos equipos.

Resistencia unitaria de la
locomotora.
Estas resistencias se agrupan por fabricantes. En
nuestro caso estudiaremos las locomotoras norteamericanas y las
del antiguo bloque socialista, y se representan por w(0 para
régimen con tracción y w(ox. Para régimen
sin tracción

Para locomotoras diesel eléctricas
en régimen con tracción.

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Resistencia unitaria de los vagones.
Como existen distintos tipos de vagones y cada uno de ellos
influye de forma diferente, la resistencia unitaria de los
vagones se representa de la siguiente forma (((0(i) donde ""i""
es el tipo de vagón correspondiente.

Resistencia de los vagones de
mercancía.

De 4 ejes con cojinetes de
fricción

Americanos, para Q ( 18 T

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Tren de la firma Tokkaido

La resistencia es total por ser el tren con
equipos automotor todos de un mismo tipo.

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– Fuerza de frenado La fuerza de frenado
como ya dijimos anteriormente está dirigida en el sentido
contrario de la fuerza tractiva.

Sentido de la marcha

Puede ser utilizada para disminuir la
velocidad hasta un nivel requerido o detener al vehículo
por completo. Puede efectuarse de dos formas.

a. – Con el apriete de las zapatas ubicadas
en las ruedas, como se observa en la figura.

b. – Utilizando la fuerza del motor
eléctrico del equipo tractivo

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La fuerza de frenado del tren se determina
en dependencia de la fuerza total de presión de las
zapatas de freno por eje del equipo.

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Para calcular el valor de la fuerza
unitaria de frenado, no tomamos en cuenta el peso de la
locomotora.

El frenado puede ser de servicio o de
emergencia. Para el frenado de emergencia en lugar de 1000 se
utiliza la mitad, 500.

El freno eléctrico de las
locomotoras se basa en la utilización de la propiedad de
reversibilidad que tienen los motores eléctricos cuando
los motores de tracción eléctrica de la locomotora
se conectan en el régimen de generador, como resultado de
esto, en el eje se produce un momento rotor dirigido en el
sentido contrario al movimiento del tren. La energía
eléctrica producida puede regresar a la línea de
contacto (frenado recuperativo) o se extingue en los
reóstatos, lo que resulta ser menos efectivo.

Fuerzas resultantes. Las resultantes
son las fuerzas que se obtienen de la interacción de las
fuerzas aplicadas en un momento dado al tren.

Si la resultante está dirigida hacia
el sentido del movimiento del tren, ésta se considera
positiva; si es en el sentido contrario, el tren se mueve
disminuyendo la velocidad. Si es igual a cero, el tren se mueve
con velocidad uniforme.

Las fuerzas que actúan sobre la
marcha del tren y por consiguiente el valor de la resultante se
determina según el régimen de marcha del
tren.

a. – En régimen tractivo. El motor
de la locomotora está en funcionamiento. La resultante
será igual a la diferencia entre la fuerza tractiva y la
suma de las resistencias. Fk – W0

b. – En régimen de regulador
cerrado. El motor está desconectado: la resultante es la
suma de las resistencias en ese régimen Wox.

c. – En régimen de frenado. El motor
se encuentra desconectado y el freno está aplicado: La
resultante es la suma de las resistencias aplicadas al tren en
régimen de regulador cerrado y la fuerza de
frenado.

Wox + BF

En la mayor parte de la vía, el tren
circula en régimen tractivo. Al moverse por una pendiente
descendiente o antes de frenar el tren puede circular en
régimen de regulador cerrado. El frenado se usa como ya se
expresó; para detener la marcha o para disminuir la
velocidad hasta el nivel deseado.

En todos los casos se utiliza el frenado de
servicio y entonces se utiliza la mitad del frenado de
cálculo.

El frenado de emergencia sólo se
utiliza en casos excepcionales, en presencia de un peligro
inminente y por supuesto sólo se utiliza para detener la
marcha del tren.

Partes: 1, 2, 3, 4
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