Manual de vía -...

39 mm Rücken9 mm

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246

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Como obra de referencia para la vía ferroviaria, el Manual de vía describe de forma ilustrativa y comprimida las relaciones que existen entre los diferentes componentes de la vía, así como las solicitaciones a las que éstos están sometidos.

Frente a la primera edición española, la segunda edición contiene algunas ampliaciones sobre los temas siguientes:

■ La conicidad equivalente■ La interacción del vehículo con los errores en la posición

de la vía■ La durabilidad de las traviesas de madera■ El desguarnecido del balasto y las características del

balasto.

Además se han añadido algunas ampliaciones más pequeñas en los diferentes capítulos.

Los conocimientos y la valiosa experiencia que el autor ha adquirido durante más de 20 años de investigaciones sobre el comportamiento de la vía y los métodos óptimos de su conservación, ofrecen al ingeniero ferroviario de hoy y del futuro una ayuda práctica y un libro de consulta en su trabajo diario.

ISBN 978-3-7771-0409-6

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r Manual de vía

Bernhard Lichtberger

Infraestructura Superestructura Conservación Rentabilidad

Nueva edición

completamente

revisada

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1 Generalidades

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1 Generalidades

Este Manual de Vía pretende poner de relieve, que la vía no puede verse de manera aislada,

compuesta únicamente por sus diferentes componentes, sino como un "Sistema rueda – vía".

La vía debe:

– guiar a los vehículos evitando su descarrilamiento,

– soportar las fuerzas verticales y horizontales de los vehículos,

– transmitir estas fuerzas hacia la plataforma a través del emparrillado de vía y del balasto,

– proporcionar un alto confort de viaje y

– garantizar una alta disponibilidad de explotación.

La rueda de ferrocarril transmite a la vía fuerzas verticales y horizontales. Además, la vía sol-

dada continua está expuesta a esfuerzos longitudinales ocasionadas por variaciones térmicas.

La vía está expuesta a componentes de fuerzas cuasiestáticas (de baja frecuencia) y dinámi-

cas, de frecuencias más altas. La figura 1 muestra esquemáticamente el sistema rueda-vía.

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Figura 1: Representación esquemática del sistema rueda-vía

1 Generalidades

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Las diferentes piezas del sistema están ensambladas mediante componentes que cumplen

funciones elásticas y de amortiguación. Los elementos de amortiguación entre la caja del ve-

hículo y el bogie, así como entre el bogie y el tren de rodadura son bien conocidos y su com-

portamiento puede describirse matemáticamente con facilidad.

Las propiedades elastoplásticas de la vía misma no pueden describirse con exactitud analíti-

ca, debido al comportamiento no homogéneo del lecho de balasto, de las capas protectoras

de la plataforma y del terreno. Se aplican relaciones y parámetros empíricos, determinados

mediante ensayos.

La magnitud de los esfuerzos es una función que incluye la carga por eje, las variaciones de

las cargas de las ruedas en curvas o debido a cargas inestables, las maniobras de aceleración

y frenado y el paso de ruedas con planos o mal equilibradas sobre una vía defectuosa.

El emparrillado de la vía tiene que distribuir estos esfuerzos de manera que la compresión del

balasto bajo las traviesas y las tensiones de compresión en la plataforma no superen los valo-

res límite admitidos.

La figura 2 muestra el aumento de las cargas por eje y de las velocidades de explotación a lo

largo de la historia del ferrocarril. Llama la atención el constante incremento de la carga por eje

de los vagones de mercancías hasta las 22,5 toneladas actuales, que posiblemente alcanza-

rán las 25 toneladas en el futuro, así como el aumento de la velocidad de los trenes de viaje-

ros: en líneas de nueva construcción ésta se sitúa entre 250 y 300 km/h. Incluso en el resto

de la red ferroviaria, los trenes circulan, en general, a velocidades cada vez más altas.

Los planteamientos teóricos y las experiencias prácticas que se describen a continuación,

pretenden explicar cómo pueden satisfacerse estas cada vez mayores exigencias que, sin du-

da, seguirán aumentando en el futuro.

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/0 Figura 2: Evolución histórica de la carga por eje y de la velocidad de los trenes de pasajeros y mercancías [1]

1 Generalidades

23

Según los conocimientos actuales, una superestructura de alto rendimiento y de bajo mante-

nimiento debe tener las características siguientes:

– un perfil de carril pesado UIC60,

– carriles resistentes al desgaste en curvas (de cabeza templada y altamente aleados),

– traviesas de hormigón optimizadas para vías y cambios (traviesas con suela, traviesas an-

chas, traviesas de bastidor, vías con traviesas en escalera, etc.),

– sujeciones de carril elásticas y resistentes a la torsión (es necesaria la optimización de las

elasticidades y las amortiguaciones),

– un lecho de balasto de estabilidad duradera y

– una plataforma duradera y resistente a heladas (protegida mediante la instalación de capas

protectoras y geotextiles).

2 La estructura de la vía

24


La figura 3 muestra una vista general de la estructura de la vía. Como se puede observar, el

sistema completo no está compuesto únicamente por el lecho de balasto en el que "flotan"

las traviesas con los carriles montados sobre éstas, sino que incluye también la plataforma

con sus capas protectoras o un subsuelo mejorado, así como el subsuelo mismo.

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Figura 3: Estructura esquemática de las superestructuras más habituales

A continuación se tratarán en detalle los diversos componentes y sus interacciones peculiares.

Sólo la alta calidad de cada componente y la óptima armonización de sus propiedades, da

como resultado una vía duradera y de fácil mantenimiento.

2.1 Las características de la instalación

25


Los valores límite para las rampas, la curvatura de los carriles (radios de las curvas) y la

velocidad de explotación del tramo, son determinantes para las características de la instala-

ción ([2], [3]).

Hoy en día, la descripción geométrica de una vía se realiza básicamente indicando el eje de

la vía. Para ello nos limitamos a la planta, es decir a la proyección normal sobre el plano hori-

zontal de la curva espacial que refleja el eje de vía real.

Las vías de ferrocarril se conciben de manera que, al circular sobre ellas a una determinada

velocidad nominal, la componente transversal de la fuerza de la gravedad en el plano del sue-

lo, la caja del vehículo y la componente inercial, se mantengan en equilibrio. Con ello se pre-

tende compensar o bien reducir las aceleraciones que percibe el viajero.

En la transición entre una recta y una curva, la curva no debe conectarse directamente a la

recta. La aparición repentina de un peralte conlleva un brusco aumento de la altura de los

carriles y además crea un problema de confort para el viajero, debido a las fuerzas centrífugas

que se generan. Estos problemas se evitan, si se introduce una curva de transición entre la

recta y la curva. En la curva de transición, la curvatura del eje de la vía aumenta gradualmente

desde cero hasta el valor 1/R correspondiente a la curva. Con el peralte se procede de mane-

ra análoga.

Actualmente los tipos concretos de curvas de transición sólo se diferencian en la manera en la

que la curvatura del eje de la vía y el peralte aumentan de cero hasta sus valores definitivos. Si

la curvatura aumenta linealmente con la longitud, se crean las generalmente conocidas como

curvas clotoidales, con sus rampas de peralte rectas correspondientes. Actualmente, éstas

representan el modelo más utilizado en Europa.

La deficiencia básica de los tipos de curvas de transición utilizados actualmente, es el modelo

matemático en el que se basan. En éste, el vehículo es considerado, en cuanto a su compor-

tamiento dinámico, como un punto de masa que se desplaza longitudinalmente por el eje de

la vía. Este modelo inadecuado conlleva, que se omitan determinadas fuerzas que actúan.

Como idealización adecuada se podría mencionar el modelo de cuerpos rígidos. Además, el

modelo utilizado actualmente no tiene en cuenta, que el centro de gravedad del vehículo no

se desplaza sobre el borde superior del carril, sino entre 1 y 2 m por encima de éste.

Un excelente método más novedoso para la descripción del trazado de una línea, es la geo-

metría diferencial de distintos planos [4].

A lo largo de una curva-guía, formada por la línea central de la vía, se lleva una terna de vecto-

res normalizados, que está fijada al vehículo en movimiento. En este caso, el vector tangencial

describe la velocidad v, el vector lateral se sitúa en ángulo recto con respecto al vector tan-

gencial y a la curva-guía y forma, consecuentemente, un plano; el vector normal está alineado

de forma ortogonal con la superficie así creada.

En este sistema de coordenadas se introducen las magnitudes geométricas de la superficie y

las magnitudes cinemáticas del vehículo, es decir, las velocidades y aceleraciones, así como sus

cambios de comportamiento. El guiado del vehículo se supone a la altura del centro de masa.

Con este planteamiento se logró, a través de estudios financiados por ÖBB (ferrocarriles

austriacos) [5], desarrollar nuevas formas de curvas de transición, que logran una rodadura

considerablemente más suave y reducen los esfuerzos. En Austria se dotó a cuatro curvas

experimentales con este novedoso tipo de curva de transición. La experiencia actual demues-

tra, que estas curvas experimentales no han requerido trabajos de conservación desde hace

6 años.


26

2.1.1 Curvas y rectas

Para las curvas y las rectas se aplican los criterios de trazado mostrados en la tabla siguiente.

Al contrario que en Europa, en EE.UU. las curvas no se denominan por su radio R sino propor-

cionalmente a la curvatura 1––R

. En EE.UU. las curvas son denominadas en "grados". Es aquel

ángulo que equivale a una longitud de curva de 100 pies = 30,48 m. Se aplica:

1746

�� ______ (R en [m])

R

2.1.2 El peralte

Para el peralte rigen los criterios de diseño enumerados en la tabla 2.

Denominación Parámetros

Logitud de las curvas y las rectas min l = � 0,4 � ve

Radios de curvaR =

11,8 · ve 2

uo

Rmáx � 30.000 m

Radio mínimo en vías principales R � 300 m

Radio mínimo en el resto de las vías R � 180 m

R ... radio de la curva [m]

ve ... velocidad proyectada [km/h]

u0 ... peralte de compensación [mm]

Tabla 1: Criterios de trazado para curvas y rectas

u ... peralte [mm]

uf ... valor de insuficiencia de peralte [mm]

reg u ... peralte normal [mm]

Tabla 2: Criterios de diseño para el peralte

Denominación Parámetros

Valor límite constructivo umin = 20 mm

Valor normal unormal = 100 mm

Admisible en vías con balastoAdmisible en vías en placa

adm u = 160 mmadm u = 170 mm

Peralte en estaciones y líneas con paradas frecuentes Frecuencia de los trenes

Peralte mínimo min u

min u < u < reg u

reg u = 7,1 · ve

2

Rmin u = u0 – adm uf

Peralte en vías con tránsito a velocidades homogéneas reg u < u < u0

Peralte de compensaciónu0 =

11,8 · ve 2

R

Valores de planificación para la insuficiencia de peralte uf uf = 70 mmadm uf = 130 mm


27

El peralte normal se dimensiona de manera que, en trenes circulando a altas velocidades, se

alcance un confort adecuado para los viajeros. Al circular a la velocidad máxima del tramo,

con el peralte mínimo aparece la máxima aceleración lateral admisible.

El diagrama siguiente muestra la insuficiencia de peralte admisible para tramos de diferentes

velocidades.

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Figura 4: Insuficiencia de peralte admisible en función de la velocidad proyectada

La tabla 3 compara la insuficiencia de peralte típica, la pendiente máxima y los radios máxi-

mos en líneas de alta velocidad de diferentes países.

Tabla 3: Peraltes, pendientes y radios realizados por diferentes ferrocarriles para líneas de alta velocidad

DB AG FS SBB SNCF

af [m/s²] 0,85 0,85 0,8 1,0

Δuf [mm] 80 120 60 130

Peralte máx. [‰] 12,5 8,5 30 35/25

R [m] 7000 3000 4000 4000/6000


28

La insuficiencia de peralte uf en mm puede convertirse de la siguiente manera en la acelera-

ción lateral no compensada af:

uf

af � g � ____

s

g ... aceleración terrestre 9,81 m/s2

s ... ancho de vía [mm]

af ... aceleración lateral no compensada [m/s2]

La aceleración lateral no compensada indica la aceleración lateral máxima (a pesar de estar

peraltada la vía) que actúa sobre los pasajeros de un tren que circula a altas velocidades.

2.1.3 La inclinación de montaje de los carriles y el ancho de vía nominal

Los carriles se montan en la vía con una inclinación hacia el interior. En los cambios de vía

suelen montarse casi siempre sin inclinación. En los Ferrocarriles Alemanes DB AG se utiliza

una inclinación estándar de 1:40. La tabla 4 muestra una vista general de las inclinaciones

de montaje utilizadas en diferentes países, los tipos de carril más comunes y el ancho de vía

nominal con sus tolerancias.

Tabla 4: Valores nominales para la construcción de vías en ferrocarriles europeos

Administración Carril Inclinación Ancho de vía [mm]

Network Rail BS113A 1:20 1432 -0 +3

DB AG UIC60 1:40 1435 -0 +3

FS UIC60 1:20 1435 -2 +1

NS UIC54, NP46 1:40/1:20 1435 -1 +3

NSB S49, UIC54 1:20 1435 -3 +3

ÖBB S49, UIC54, UIC60 1:40 1435 -2 +2

SBB UIC60 1:40 1435 -2 +2

SJ SJ43, SJ50 1:30 1435 -3 +3

SNCF UIC60 1:20 1436 -2 +2

La tabla 5 muestra una vista general de los anchos de vía habituales a nivel internacional.

Denominación de la vía Ancho de vía [mm] Países

Vía Decauville 700 Argentina, Dinamarca, Indonesia, Países Bajos España

Ancho bosnio 760 Austria, antigua Yugoslavia

1000 Bélgica, Francia, Grecia, Austria, Polonia Suiza, España

Ancho Ciudad del Cabo 1067 Sudáfrica

Ancho ruso 1520/ 1524 Antigua Unión Soviética, Finlandia

Ancho irlandés 1600 Irlanda, Brasil, Australia

Ancho indio 1676 India, Pakistán, Irán, Chile, Argentina

Ancho ibérico 1668/ 1674 Portugal, España

Tabla 5: Anchos de vía usuales a nivel internacional

39 mm Rücken9 mm

Rillung17 mm

Beschnitt9 mm

Rillung 160 mm Rücken

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mm

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160 mm Rücken17 mm

Beschnitt

Como obra de referencia para la vía ferroviaria, el Manual de vía describe de forma ilustrativa y comprimida las relaciones que existen entre los diferentes componentes de la vía, así como las solicitaciones a las que éstos están sometidos.

Frente a la primera edición española, la segunda edición contiene algunas ampliaciones sobre los temas siguientes:

■ La conicidad equivalente■ La interacción del vehículo con los errores en la posición

de la vía■ La durabilidad de las traviesas de madera■ El desguarnecido del balasto y las características del

balasto.

Además se han añadido algunas ampliaciones más pequeñas en los diferentes capítulos.

Los conocimientos y la valiosa experiencia que el autor ha adquirido durante más de 20 años de investigaciones sobre el comportamiento de la vía y los métodos óptimos de su conservación, ofrecen al ingeniero ferroviario de hoy y del futuro una ayuda práctica y un libro de consulta en su trabajo diario.

ISBN 978-3-7771-0409-6

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Bernhard Lichtberger

Infraestructura Superestructura Conservación Rentabilidad

Nueva edición

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