INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE FERROCARRILES

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1 INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE FERROCARRILES ( NOTA: este documento es un borrador, no debe ser usado aún como fuente de consulta sobre diseño de ferrocarriles. En este Edublog se está utilizando como ejemplo de aplicación de las ventajas del Edublog en el proceso de aprendizaje- enseñanza) CAPÍTULO 1. GEOMETRÍA DE LA VÍA 1.1 INTRODUCCIÓN - DEFINICIÓN EL sistema férreo o ferrocarril es aquel sistema de transporte en el cual los vehículos se desplazan sobre un camino de rodadura definido por rieles metálicos, el cual proporciona un guiado unidireccional al vehículo. El ferrocarril convencional de la actualidad es un sistema de transporte terrestre en el que los vehículos se apoyan sobre un camino de rodadura, conformado por rieles y traviesas, utilizando ruedas metálicas 1.2. CONCEPTOS CARACTERÍSTICOS DEL FERROCARRIL Los elementos básicos de un sistema férreo son : El vehículo : tren o vagones enlazados, llamado también material rodante. La vía férrea : llamada también carrilera o vía permanente. La vía férrea tiene que cumplir 3 funciones básicas: Actuar como estructura de soporte: la vía permanente soporta al vehículo que se desplaza. Esta tarea está destinada específicamente al riel, cuya misión es transferir uniformemente las cargas al suelo. Guiado unidireccional, la vía férrea solo permite que los vehículos se muevan en el sentido predeterminado por su geometría. Esto representa ciertas restricciones o desventajas en situaciones como cruces, adelantos, retornos, etc, pero también tiene la ventaja de permitir un control total sobre la circulación vehicular, haciéndose más fácil la automatización del sistema. Adherencia: los vehículos o material rodante tienen características especiales de tracción y frenado, por tanto una de las funciones de la vía férrea es proporcionar la adherencia del vehículo al piso (riel). Una buena adherencia, con un mínimo de fricción, hace que el trabajo

2 de desplazar el vagón con carga sea más fácil y eficiente. Por ejemplo, para desplazar una tonelada de carga en un plano horizontal venciendo la resistencia llanta-pavimento, es necesario aplicar una fuerza de 10 a 14 kg, mientras que en una vía férrea bastan 3 kg para inducir el movimiento ya que hay menos fricción entre la rueda metálica y el riel metálico. 1.3 ELEMENTOS QUE DEFINEN LA GEOMETRÍA DE LA VÍA No todas la topografías permiten trazar vías férreas ya que la operación de los trenes está limitada a ciertos rangos de pendientes y de curvatura. La naturaleza de la carga a transportar tiene también gran incidencia en el diseño geométrico de la vía férrea. 1.4 Componentes del trazado Alineamiento horizontal Rectas Curvas horizontales El alineamiento horizontal de los ferrocarriles, al igual que el vertical, está condicionado por las características topográficas del terreno sobre el cual se construye. Aunque se deben evitar pendientes fuertes, y de hecho algunas son inadmisibles, por razones económicas el trazado de una vía férrea debe adaptarse tanto como sea posible a la configuración natural del terreno; para ello se utiliza en su diseño una combinación de líneas rectas y tramos curvos tanto en planta como en perfil. Otro factor condicionante del alineamiento horizontal es la trocha o ancho e vía, la cual se mide como la distancia entre las superficies más próximas de las caras laterales de los rieles, a 14 mm por debajo del plano de rodadura. Figura. Trocha vía férrea

3 Según la dimensión de la trocha los ferrocarriles se clasifican así: Nombre Medida de la trocha Lugar de uso Ferrocarriles de Trocha Angosta 750mm mm Argentina con 750 mm Colombia con 914mm Japón y África con 1067mm Ferrocarriles de Trocha Ancha 1594 mm mm Rusia 1524 mm España 1668 mm Brasil 1800mm Ferrocarriles de Trocha Estándar o media 1435 mm El resto del mundo El alineamiento horizontal de una vía férrea se compone de una sucesión de rectas y curvas. Las curvas en ferrocarriles pueden ser: Curvas circulares simples: son curvas de un solo radio Curvas compuestas: son curvas formadas por varios tramos de círculo de diferentes radios, o por círculos combinados con curvas espirales. Una vía férrea debe tener la mayor parte de su longitud en tramos rectos, sin embargo, cuando sea necesario usar curvas, éstas deberán tener los mayores radios posibles. Curvas circulares simples Toda curva circular simple se identifica por su grado de Curvatura G y por su radio R. En ferrocarriles el grado de curvatura G está definido como aquel ángulo que subtiende el un arco unitario. En ocasiones el arco unitario se toma de 100 pies de longitud (30.48 m), y en otras oportunidades se considera que el arco unitario es de 20m, según el sistema de medida en que se esté trabajando. A diferencia de las carreteras, la localización de las curvas de una vía férrea no se hace ubicando cuerdas sino arcos unitarios ( de 100 pies o 20m). Las expresiones matemáticas para curvas circulares simples son las siguientes:

4 La curvatura o grado de curvatura en ferrocarriles se define como el inverso del radio. Con el valor de la curvatura se podría hacer un gráfico Curvatura vs. abscisa que permitiría visualizar el comportamiento del alineamiento horizontal a todo lo largo de su longitud. En ferrocarriles no se recomienda el uso de curvas reversas sin entretangencia mínima entre ellas, la cual se debe calcular como ET = V/2 con V en Km. por hora y ET en metros. En términos generales la entretangencia mínima en ferrocarriles es de 30 m, pero cuando se trate de curvas reversas, la entretangencia debe calcularse como se indicó antes. En ferrocarriles deben evitarse las curvas con G mayor de 13º, es decir no deben usarse radios menores de 88m. Con radios menores de 88m el desgaste de los rieles es muy grande, y las ruedas se van dañado por el esfuerzo generado en ellas por la fuerza centrífuga. PERALTE EN FERROCARRILES Usualmente, por una misma vía férrea transitan tanto trenes de carga como de pasajeros, pero los de carga transitan a menos velocidad que los de pasajeros. Si en una vía se colocara el peralte máximo definido anteriormente, utilizando V como la velocidad de operación para transporte de pasajeros, los trenes de carga quedarían descompensados. Si se colocara el peralte calculado con V igual a la velocidad de operación de los trenes de carga, entonces los pasajeros sentirían molestia en su viaje. Para evitar lo anterior, se ha tomado un valor de peralte denominado " peralte práctico" que es aquél valor que permite no descompensar la carga, pero al tiempo brinda comodidad y seguridad a los pasajeros. En España y Francia hpráctico=( 2/3).hcalculado En la India hpráctico=( ¾).hcalculado En Italia hpráctico=hcalculado pero calculando con la velocidad promedia entre los trenes de carga y los de pasajeros

5 Cuando no sea posible obtener la entretangencia ideal entre dos curvas del mismo sentido, se debe conservar constante el peralte máximo entre las pendientes de transición, por lo menos a lo largo e 30 m. Ver figuras 27, 28 y 29 del libro de ferrocarriles (copiar aquí lo de las notas de Eafit hojas 1/10 a 10/10de la clase de febrero 15 de 2000) CURVAS DE TRANSICIÓN EN FERROCARRILES Al unir una curva circular con una línea recta, aparece súbitamente la necesidad de darle al punto de tangencia PT (o PC) un peralte h igual al h.ideal, o al menos igual al h.práctico,, con el fin de compensar la aceleración lateral o centrífuga producida por efecto de la curva. Al pasar de recta a curva, se está pasando de manera súbita de un radio infinito a un radio R, para lograr que el decremento de radio, y por consiguiente el incremento de curvatura, sea gradual, se deben utilizar curvas de transición. De esta manera la necesidad de peralte también será progresiva y podrá desarrollarse a lo largo de la curva de transición. Las curvas de transición también se usan para conectar dos curvas circulares de radios diferentes. En la práctica se puede omitir el uso de curvas de transición en los siguientes casos: Cuando el radio de la curva circular es mayor de 3000m Cuando en dos curvas circulares adyacentes del mismo sentido la diferencia de la aceleración está entre 0.2 y 0.3 m/seg2. Las curvas más usadas como curvas de transición son : Leminiscata de Bernoulli Clotoide o Radiode de Arcos Parábola Cúbica Parábola de cuarto orden Cualquiera que sea el tipo de curva que se utilice, la curva seleccionada para la transición debe ser de radio variable a medida que varía su longitud y por lo tanto debe cumplir el objetivo de variar el radio desde infinito ( o muy grande) hasta el radio de la

6 curva circular en una longitud dada. La longitud a lo largo de la cual debe efectuarse la transición se conoce como LT "Longitud de Transición". Para definir su magnitud deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: Pendiente del peralte o desarrollo gradual del peralte Velocidad de elevación de las ruedas exteriores Variación en el tiempo de la aceleración lateral remanente o no compensada por el peralte La influencia de estos aspectos se explica a continuación: Pendiente del peralte o desarrollo gradual de peralte: a lo largo de la curva de transición el peralte va aumentando, por tal razón los dos rieles que conforman la vía dejan de ser paralelos y las ruedas exteriores de cada vagón están en cotas diferentes entre si y en cotas diferentes respecto a las ruedas interiores del mismo vagón. Esto podría ocasionar descarrilamiento ya que las 4 ruedas no quedan en todo momento en el mismo plano. Para evitar este problema la pendiente del peralte se restringe a ciertos rangos admisibles, que varían en cada país. Rusia pendiente máx. para el desarrollo de peralte 1mm/m Francia pendiente máxima para el desarrollo del peralte 1.5mm/m Inglaterra, España y Alemania 2.5mm/m (Pendiente redactar lo de los otros criterios para hallar longitud de la curva de transición) Alineamiento vertical (pendiente de redactar)

7 1.4.3 sección de vía Cuando se requiere el uso de dos o más vías férreas paralelas en una misma sección transversal de la vía, es necesario dejar una distancia mínima entre los ejes de dos vías adyacentes, de modo que se permita de modo seguro el paso simultáneo de trenes circulando por las vías paralelas, bien en el mismo sentido o en sentido contrario. La separación entre los ejes de las vías adyacentes se conoce con el nombre de ENTREVÍA y su valor depende, entre otros factores, del gálibo estático y dinámico de los vehículos que circulan por la línea. En alineaciones rectas en planta, la entrevía puede ser constante a lo largo de todos los tramos rectos de la vía, a menos que se presenten situaciones especiales como andenes, zonas verdes, etc, que obliguen a aumentar esta entrevía En vías de circulación normal, no de alta velocidad la entrevía estándar es: Francia 3700 mm Alemania 3600 mm Gran Bretaña 3404 mm Metro Medellín 3750 mm En los trenes de alta velocidad la entrevía mínima en cualquier país es de 4000 mm En las curvas horizontales la entrevía deberá ser mayor ya que la rigidez de los vagones nos les permite adaptarse a la forma curva de la vía férrea, entonces es necesario dotar la sección de un sobreancho, tanto en el lado interno como en el externo. Los sobreanchos requerido en las curvas horizontales pueden ser de varios tipos: Por longitud de los vagones Por inclinación de los vagones debida al peralte Por efecto dinámico del peralte Por juego entre vías y vehículos Por longitud de los vagones: debe construirse tanto en el lado interno como en el externo El sobreancho interno, denominado S long int Está dado por la expresión:

8 S long int = C 2 8*R Y el sobreanchos externo denominado S long ext S long ext = L 2 -C 2 8*R donde L es la longitud del vagón C es la distancia entre pivotes de bogie, o sea la distancia entre ejes de rotación del vagón Por inclinación de los vagones debida al peralte Adicionalmente, también se requiere un sobreancho en el lado interior de la curva en el cual se considera el efecto del peralte al inclinar el vagón transversalmente. Este se denomina SA per y está dado por la expresión: SA per = H*h S Donde : H es la altura del vehículo más alto que circulará en esa vía H es el peralte S es la dictancia entre rieles de ejes de la misma vía férrea Por efecto dinámico del peralte: Las cajas de los vagones, o los contenedores transportados tienen una tendencia a recostarse, debido a la aceleración lateral no compensada, hacia el aldo externo de la curva cuando los trenes viajan a una velocidad mayor que la de equilibrio y hacia el lado interno cuando viajan a menos velocidad Por esta razón, es necesario colocar en la parte interior o en la parte exterior de la curva, dependiendo de la velocidad a la que circula el tren, un sobreancho por este efecto dinámico del peralte. Se denomina SA est = 0.25 SA per En ocasiones se coloca a ambos lados

9 Por inclinación de los vagones debida al peralte Por juego entre vías y vehículos A veces el tamaño relativo de los vagones y los trenes varía, por tanto se recomienda un sobreancho adicional de 2.5% de la entrevía total Entrevía en curvas= (entrevía estándar en rectas + Slong int +Slong ext +SA per + SA est)* Influencia de la función vía en sus características geométricas Como ya se dijo anterior mente, la función básica de una vía férrea es proporcionar un guiado unidireccional al tren, además de servir de soporte y proporcionar adherencia con mínima fricción entre las ruedas y el riel. Estas funciones básicas traen como consecuencia la necesidad de construir peraltes y sobre anchos, los cuales ya se explicaron, a fin de garantizar que no habrá descarrilamientos y volcamientos que impidan el guiado adecuado del vehículo. En consecuencia, puede decirse que la función de la vía es la que determina características geométricas tales como el peralte, el ancho de vía, los sobreanchos en curvas horizontales y la pendiente longitudinal El tipo de servicio que la vía férrea a de prestar, de carga o pasajeros es también una de sus funciones y está representado en la velocidad de operación que los trenes tendrán sobre dicha vía. Por tanto, la velocidad del tren, y en consecuencia las características geométricas que de ella se derivan, también están seriamente influenciadas por la funcionalidad de la vía férrea. Así, Vmax= 4.5 R ½ Con R en m y V en k/h