FERROCARRILES. Elementos De Ingeniería Ferroviaria.

INTRODUCCIÓN

Se considera que la vía férrea es el elemento principal de la infraestructura ferroviaria, para su elaboración es muy importante hacer movimientos de tierra y obras de arte como alcantarillas, drenajes, puentes, entre otras. De una manera más amplia podemos conocer los elementos de la ingeniería ferroviaria de la siguiente forma:

Elementos de la infraestructura

Elementos de la superestructura

De la misma forma, se amplía cada uno de los ítems que abarca cada uno de los elementos, a continuación.

ELEMENTOS DE INGENIERÍA FERROVIARIA

Se denomina VÍA FÉRREA a la parte de la infraestructura ferroviaria formada por el conjunto de elementos que conforman el sitio por el cual se desplazan los trenes. Las vías férreas son el elemento esencial de la ingeniería ferroviaria y constan básicamente de:

ELEMENTOS DE INFRAESTRUCTURA: Son aquellos que comprenden la ejecución de movimiento de tierras, construcción de terraplenes, obras menores y obras mayores como los viaductos, puentes y túneles.

ELEMENTOS DE SUPERESTRUCTURA: son aquellos elementos básicos para el funcionamiento de la vía tales como las trochas (ancho de vía o distancia entre caras internas de los rieles), rieles, balastos y elementos de fijación y de ajuste.

CALCULO DE LA VÍA

Para el cálculo de la vía se considera principalmente:

CALCULO DEL RIEL

CALCULO DEL DURMIENTE

CALCULO DEL BALASTO

Una vía ferroviaria se encuentra sometida a dos tipos de esfuerzos:

ESFUERZOS VERTICALES: Producidos por el peso propio del vehículo que circula en la vía.

ESFUERZOS HORIZONTALES: Producidos por el rodamiento, temperaturas y movimientos propiamente dicho del vehículo que circula en la vía.

Entre los movimientos que se observan en los trenes se encuentran:

1. BALANCEO

2. TREPIDACION

3. REBOTE

4. GALOPE

5. SERPENTEO

6. VAIVEN

Los cuales deben ser considerados para el diseño de la vía y la envolvente máxima para el material rodante.

RIEL – FUNCIONES

Resistir directamente las tensiones que recibe del material rodante y transmitirla a su vez al resto de componentes que conforman la superestructura de la vía.

Sirven como guía de las ruedas en su movimiento.

Conduce electricidad para la señalización y tracción de las líneas electrificadas.

CÁLCULOS

Uno de los factores más importantes para el cálculo de los rieles es el peso de los vehículos, ya que es el punto de contacto entre la rueda y el riel según la cantidad de ejes. En todos los vehículos el peso bruto se reparte en todos los ejes de manera uniforme y se expresa como un peso máximo por eje, que debe ser soportada por el riel. El riel es sustituido más por desgate o fatiga que por problemas de orden estructural.

Para iniciar el cálculo del riel se debe considerar los siguientes pasos:

Considerar que el riel se comporta como una viga continua apoyada sobre los durmientes.

Considerar su comportamiento dinámico y su capacidad se basa en la velocidad, la distancia entre los durmientes y el peso bruto del eje.

Para el comportamiento dinámico del riel y su capacidad se consideran las siguientes formulas empíricas entre otras (Klingel, Uk, regresión lineal, teoría Hertz)

Fórmula de Shajunianz:

q=a×(1+(T^(1/4))×(1+0,012×V^(1/2) )^(2/3) ×p^(2/3)

Dónde:

a= Es el coeficiente de 1,2 para vagones y 1,13 para locomotoras.

T= Es el tráfico anual en millones de toneladas.

V= Es la velocidad en km/h.

Formula de arena (American Railway Engineering Maintenance Of Way Association):

q=9×(P/2+0,00003861×〖PV〗^2/2 )^(2/3)

Se elige un perfil una vez calculado el peso.

Se calculan los esfuerzos a los que estará sometido y se procederá al chequeo con los esfuerzos permisibles por norma.

UN RIEL ESTÁ COMPUESTO POR:

Cabeza: Porción superior del riel sobre la cual apoyan las ruedas de los vehículos ferroviarios.

Alma: Porción intermedia del riel que une su cabeza con su zapata.

Zapata, patín o patio: porción inferior del riel mediante la cual éste se apoya en los durmientes directa o indirectamente.

TIPOS DE RIEL

El riel es una barra de acero laminado que, colocado uno a continuación de otro, en 2 líneas paralelas sobre durmientes u otros soportes adecuados, constituyen el camino de rodadura de los vehículos ferroviarios. Al riel se le denomina de diferentes maneras según la función que estarían cumpliendo, como por ejemplo:

RIEL DE ZAPATA PLANA (VIGNOLE): Riel con superficie de apoyo plana.

RIEL DE REEMPLEO: Riel retirado de la vía que puede ser reutilizado como riel de rodado o en determinadas obras complementarias de la vía, sin o con reacondicionamiento previo.

RIEL EXCLUIDO: Riel retirado de la vía y que no puede ser reutilizado como riel de rodado bajo ninguna circunstancia.

Para definir cuál es el tipo de riel que debe emplearse en una vía férrea determinada se debe conocer cuál será el peso de los ejes que circularán sobre los rieles durante toda su vida útil (esto se analizará en diseño de rieles). A través del tiempo y de la experiencia que se ha tenido se ha hecho más común el llamado `riel de Patín Plano' o `riel tipo Vignole', que es el que se utiliza en nuestro país. Además, los tipos de rieles se caracterizan por su peso expresado en libras/pie o kg./m y sus medidas de altura y ancho en pulg. o en mm. El uso que se le va a dar al riel según el peso que éste tenga va a depender de la carga que llevará cada rueda. Hay variados tipos de rieles, los cuales tienen sus dimensiones ya definidas para cada tipo, de ancho de la cabeza del riel, de altura de la cabeza, de altura del alma, de altura del patín, de ancho del alma, de ancho del patín, de altura total del riel, etc.

RIEL TIPO VIGNOLE RIEL TIPO GARGANTA RIEL BURDACH

DURMIENTE

Se llaman durmientes o traviesas a las piezas que se colocan transversalmente sobre el balasto para proporcionar a los rieles de la vía un soporte adecuado. Los durmientes no solo soportan los rieles sino que además, proporciona un medio para que los rieles se conserven con seguridad a la distancia correcta del escantillón.

La mayor parte de los durmientes que se emplean en los ferrocarriles son de madera. También existen los durmientes de concreto, metal, concreto con piezas de metal o de madera insertadas; siendo algunos de ellos deseables y económicos cuando se trata de servicios especiales, pero es dudoso que estos puedan competir ventajosamente con los durmientes de madera.

Se han hecho diferentes estudios para determinar los factores que afectan la vida de los durmientes de madera. Los tres principales resultados de estos estudios son:

El desarrollo del conocimiento científico acerca de la pudrición de la madera,

el desarrollo de procesos definidos para tratar químicamente los durmientes con la finalidad de evitar su pudrición y alargar la vida,

El desarrollo de placas para durmientes y otros medios de sujeción correctamente diseñados para usarse entre la base y el riel y el durmiente con miras a retardar el desgaste mecánico del durmiente debido al riel.

Durmiente

CÁLCULO

Para el cálculo del durmiente, este se debe verificar por los esfuerzos a compresión y los esfuerzos a flexión como sigue:

ESFUERZOS A COMPRESIÓN:

σ_c=P/f×d Donde: P es la carga por eje del vehículo más pesado, f es el ancho del patín en cms y b es la base del durmiente también en cms.

ESFUERZOS A FLEXIÓN:

σ_f=M/W Donde: M es el momento generado por las dimensiones del durmiente y la carga, es decir,M=P×b×L^2)/2, W es el módulo de sección que no es más que W=b×h^2/6.

BALASTRO

Se llama balasto a cierta clase de material escogido, tal como piedra triturada, grava, escoria, cenizas, etc. que se coloca sobre las terracerías compactadas para dar apoyo y estabilidad a los durmientes o traviesas. El balasto mantiene a los durmientes alineados y nivelados, permitiendo arrojar el agua fuera de ellos y haciendo posible el alineamiento, nivelación y elevación de la vía o bien la renovación de los durmientes sin tocar el lecho. Cuando se coloca correctamente y tiene suficiente espesor, el balasto proporciona un soporte firme y uniforme a los durmientes y distribuye por igual la presión causada por el peso y el empuje de los trenes que transitan por la vía.

El balasto se puede dividir en sub-balasto y balasto en sí, donde el primero se encuentra situado por debajo del segundo y sobre la plataforma de la vía y cuyas funciones son:

Evitar los daños que genera la erosión.

Drenar las aguas de lluvias.

Mejorar el reparto de las cargas.

El sub balasto mantiene al balasto fuera del alcance de componentes extraños.

CÁLCULO

Existen diferentes formas de chequear y estimar el espesor del balasto en una vía. Generalmente se toma el criterio de la hipótesis de Clarke el cual está

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