VÍAS FÉRREAS - GENERALIDADES

DEFINICIÓN

Un ferrocarril se define como el camino provisto de perfiles paralelos denominados rieles, sobre los que se deslizan una serie de vehículos movidos por tracción eléctrica, motores eléctricos o motores diesel - eléctricos.

CLASIFICACIÓN

En la actualidad no se cuenta con una clasificación unificada de las líneas del ferrocarril, debido a que las mismas presentan una gran variedad en sus características. Tomando en cuenta algunos puntos de vista, se pueden clasificar en:

LÍNEAS PRINCIPALES Y SECUNDARIAS

Las líneas principales son aquellas que forman las grandes líneas tróncales, y las líneas secundarias las que complementan la red formada por las anteriores dando así un sistema completo de líneas férreas.

LÍNEAS DE VÍA ANGOSTA Y VÍA ANCHA

Esta clasificación corresponde al nivel de servicio que prestan las líneas férreas, sin tener en cuenta si es una línea principal o secundaria, es decir que una línea principal no necesariamente debe ser de línea ancha o que una secundaria sea de línea angosta, ya que ello dependerá de los aspectos de servicio que son relacionados a la construcción. El ancho de la vía, definida como trocha de vía, es la separación entre rieles, como se muestra en la figura 1.1.

Fig. 1. 1. Trocha de la vía.

LÍNEAS DE TRANSITO GENERAL, URBANAS Y SUB - URBANAS

Esta es una clasificación relativa al servicio publico que prestan. Así se tiene que las líneas de tránsito general corresponden al servicio nacional o internacional de larga distancia. Las líneas suburbanas son aquellas que comunican una población con sus zonas de influencia cercanas. Las líneas urbanas son las que prestan servicio dentro de las poblaciones, ya sean estos servicios efectuados sobre la superficie, como los tranvías, subterráneos o elevados, y como los metropolitanos.

Existen también líneas de servicio particular que corresponden a las líneas dedicadas exclusivamente al servicio de algunas empresas de carácter privado, tales como las líneas mineras.

A pesar que el estudio del trazado geométrico de la vía, no ha sido considerado en el presente tomo, es necesario introducir al menos el análisis del peralte de la vía, como un criterio practico, ya que al no satisfacer este criterio, no se aseguraría ciertas condiciones en el calculo de la seguridad, donde este peralte tiene influencia indirecta.

PERALTE

Se denomina peralte a la diferencia de cota entre los dos rieles de la vía en curva, para una sección normal al eje de la vía. Se proporciona mediante la elevación gradual del riel exterior sobre el interior, manteniendo esté a su nivel original en la recta. Las principales misiones del peralte son:

Producir una mejor distribución de cargas en ambos rieles.

Reducir la degradación y desgaste de los rieles y del material rodante.

Compensar parcial o totalmente el efecto de la fuerza centrífuga con la consiguiente reducción de sus consecuencias.

Proporcionar confort a los viajeros.

Fig. 1. 2. Trocha de la vía.

PERALTE TEÓRICO

Este peralte debe considerarse solo como teórico, ya que en la practica el peralte que se puede dar a la vía se encuentra limitado por la coexistencia de trenes rápidos y trenes lentos; en estos últimos, que se encuentran con exceso de peralte, el apoyo de las pestañas con el riel interior, agravado por la resultante de las fuerzas de tracción, origina el desgaste de tales elementos y, sobre todo, aumenta notablemente la resistencia a la rodadura, hasta el punto de hacer difícil el arranque en caso de parada imprevista en curva. Debe observarse que, por efecto del peralte, la presión del vehículo sobre los rieles aumenta.

PERALTE PRáCTICO

Se tomara al peralte practico a los 2/3 del valor del teórico.

Donde:

h = Peralte teórico.

h₁ = Peralte práctico.

V = Velocidad.

R = Radio de curvatura.

s = Ancho de vía mas dos veces el semiancho de la cabeza del riel.

g = Ancho de la cabeza del riel.

El límite del peralte se encontrara entre:

SUPERESTRUCTURA E INFRAESTRUCTURA

Como partes esenciales en la constitución del camino de rodadura que se ofrece a los trenes, se consideran la infraestructura y la superestructura. La primera es la parte que da origen a la línea, con sus cortes y terraplenes, viaductos, puentes, alcantarillas, túneles, y en general, con todas las obras de arte y de fábrica necesarias para el establecimiento de la superficie sobre la que se asienta la vía. La superestructura es la vía propiamente dicha, con el balasto, los durmientes, los rieles, los aparatos de vía, y también los elementos precisos para asegurar la circulación de los trenes, como las señales, y enclavamientos.

RIEL

A la vía, cuando en España se empezó a tratar de ferrocarriles, se le llamó camino de fierro o riel de hierro. Se daba este nombre de camino, porque el riel es el perfil de hierro que sirve de huella a las ruedas de un carro.

Fig. 1. 3 Antiguos rieles de vientre de pez, sobre dados de piedra.

A las barras de hierro se las llamaba riel, tomando del Inglés y del Francés esta palabra, que tiene su raíz en la latina regula, que quiere decir regla. En la actualidad, lo corriente es llamar riel a las barras de acero que se asientan sobre los durmientes. En los primeros ferrocarriles ingleses, la vía estaba constituida por rieles apoyados en dados de piedra. Con el empleo de las locomotoras, los rieles tuvieron su parte inferior en curva, en forma llamada de vientre de pez, como se muestra en la figura 1.2. Hacia 1835 se abandonó el sistema de base pétrea, y, en lugar de dados, se utilizaron apoyos metálicos para después empezar a emplear durmientes de madera.

Los rieles después de diversas formas en su sección transversal han venido a quedar representadas en dos formas; la de doble cabeza (tipo Stephenson) y la de base plana (tipo Vignol). Los primeros se conocen también por riel de cojinetes, como se ilustra en la figura 1.3, por que se monta sobre cojinetes, que son los que aseguran su estabilidad; se empleó mucho en el continente Europeo. Debido a no estar tan extendido por el mundo como el de base plana, en lo que sigue sólo habremos de referirnos a rieles tipo Vignol.

Fig. 1. 4 Sección del riel y cojinetes.

El riel que en Europa se conoce por el nombre de Vignol, porque el inglés Carlos Vignoles lo introdujo en el viejo continente, fue ideado por el Americano Stevens, uno de los grandes ferroviarios de tiempos pasados. Este tipo de riel tiene tres partes, que son: cabeza, alma y pie. Al pie solemos llamarle patín (Figura 1.4).

La cabeza tiene una forma apropiada para que sobre ella se acomoden las ruedas de los vehículos. La cara superior del riel, que es la superficie de rodadura, se ofrece plana o ligeramente abombada, con objeto de hacer frente a los desgastes recíprocos del riel y de la rueda. Los planos inclinados que unen la cabeza al alma además de servir para sostener aquélla, sirven de apoyo de las bridas, elementos que unen los rieles consecutivos cuando estos no están soldados. El alma del riel debe tener una altura en relación con el ancho del patín, a fin de resistir lo mejor posible los esfuerzos transversales. Esta relación se acerca cada vez más a la unidad, con esto y con el aumento de ancho del alma se tiende a establecer una proporción entre las masas de la cabeza, alma y patín, como mejor medio de evitar tensiones interiores y de proporcionar al riel mayor estabilidad y resistencia a los esfuerzos que lo solicitan. El patín se une al alma por planos inclinados, sobre los que se apoyan también las bridas de unión de rieles. El ancho del patín debe ser suficiente para asegurar la estabilidad del riel y para resistir los esfuerzos transversales que tienden a inclinarlo.

Fig. 1. 5 Sección transversal del riel

El peso de los rieles, varia en razón del tráfico y de las condiciones de explotación de la línea, como son, la velocidad de los trenes y peso de locomotoras y vehículos. Este peso del riel, va siendo cada vez mayor, por lo mismo que va siendo mayor la velocidad de los trenes y el peso de locomotoras y vehículos. Por lo general, los países Europeos poseen rieles de pesos elevados debido al alto rendimiento que se espera de ellos, por ejemplo en España los rieles más pesados, son de 45 Kg/m. En otros países se emplean rieles más pesados, como los de 52 y 57 Kg/m, del Estado Belga, y otros que llegan a 60 y 70 Kg/m. En el caso de nuestro país la red ferroviaria esta conformada por rieles de 60, 65 y 75 lb/yd, lo que equivaldría a 30, 32 y 35 Kg/m. Con el peso del riel se aumenta la resistencia de la vía, en la que también influye de modo principal, el número de durmientes y el espesor de la capa de balasto.

El procurar un exceso en la masa metálica del riel es también necesario si se tiene en cuenta el desgaste que el uso produce, sobre todo en la cabeza. La circulación de los trenes ocasiona, en efecto, cierto desgaste de la cabeza del riel. La presión de las ruedas y el roce que ejercen, sobre todo en las curvas; el efecto de las frenadas; los golpes de las ruedas, cuando la vía presenta alguna desigualdad, cosa que más frecuentemente ocurre en las juntas; los golpes que producen también las ruedas cuando los ejes de los vehículos no están en debidas condiciones o el sobreancho de la vía es excesivo; la acción de los agentes atmosféricos, y otras causas de menor importancia van reduciendo la altura y el ancho de la cabeza del riel. Naturalmente que estos motivos de desgaste, en su mayoría, crecen al aumentar el número, velocidad y peso de los trenes. Cuando el desgaste pasa de cierto límite, como 15 ó 18 mm para rieles de mediano peso, 20 ó 25 para los de gran peso, los rieles deben ser renovados, y como la sustitución aislada de algunos de ellos no es conveniente, se suele hacer la renovación completa, para dejar una nueva vía de rieles homogénea, utilizando el gastado en vías de estaciones o de líneas de menor importancia.

Los rieles tienen longitudes diversas, y se procura que sean las mayores posibles para reducir el número de juntas y hacer más eficaz la resistencia al deslizamiento longitudinal y a los esfuerzos transversales. Las juntas de los rieles son los puntos débiles y conviene que su número sea el menor posible. El máximo de la longitud viene fijado por la posibilidad del laminado y por la separación entre rieles para el juego de dilatación, separación que no pasa de 20 mm. Por otra parte, la conveniencia de facilitar el transporte pone también un límite a la longitud de rieles. La longitud se toma usualmente de 12 a 15 m y para los rieles más pesados se emplea de 18 m de largo.

SUJECIÓN del riel

Las sujeciones del riel son elementos que hacen posible la continuidad estructural de la vía. Las funciones de las sujeciones, son:

Fijar los rieles a los durmientes

Asegurar la invariabilidad del ancho de la vía

Facilitar la transferencia de las cargas estáticas y dinámicas del material rodante.

Fig. 1. 6 Tirafondo

Un elemento importante de las sujeciones es la placa de asiento, que reduce la presión específica transmitida por el riel protegiendo así al durmiente.

Entre los tipos de sujeciones, los más comunes son:

Las sujeciones rígidas clásicas, que son elementos clavados, como las escarpias o atornillados como los tirafondos, como se ilustra en la figura 1.6. por uno de sus extremos y por el otro sirve de sujeción sobre el patín del riel.

Clavos elásticos, que combinan la sencillez de los elementos clavados con la ventaja de la elasticidad, incrementando su conservación y facilitando su montaje. Entre este tipo de sujeciones se tiene a Calvos Dorken, T-flex, Elastic flex, J-flex, etc.

Sujeciones elásticas de lámina o grapa, que presenta una chapa de acero elástico, denominado grapa o lámina elástica que es unida a otros elementos como una chapa de gaucho, casquillo aislante de plástico, mediante un tornillo de acero o tirafondo en caso de tener durmiente de madera. Entre los principales tipos de estas sujeciones, están las sujeciones RN, CIL, C4, Heyback , etc.

Sujeciones elásticas de clip, que cuentan con un elemento soporte de diferente forma para poder sujetar el patín del riel. La principal sujeción de este tipo es la Pandrol, como se muestra en la figura 1.7.

Otros tipos de sujeción son la sujeción de cuña y cojinete, sujeciones elásticas de lámina o grapa, etc.

Fig. 1. 7 Sección transversal del riel

Juntas de los carriles.

Es la unión longitudinal de dos rieles consecutivos. Se efectúa por medio de piezas denominadas bridas. Las juntas mas recomendadas son las que se encuentran suspendidas, es decir, cuando la junta se encuentra entre dos durmientes, esto produce menor desgaste en los extremos del riel ya que se considera como una junta elástica, trabajando a flexión.

La función de las bridas es el de unir lo extremos de los rieles de manera que sus ejes longitudinales coincidan. Se proyecta la brida de manera que el par de bridas en la junta, produzcan el mismo momento de inercia del riel. Las bridas se fijan entre sí y a los rieles, por medio de tornillos que tienen la cabeza en forma de pico de pato, que no permite el aflojamiento y son asegurados utilizando arandelas elásticas.

Es necesario en las juntas que exista un juego u holgura, para lo cual se puede dividir a las vías en dos:

JUNTA tipo a

Son las vías en las que se cuenta con sujeciones de gran eficiencia, como los clavos elásticos, sujeciones o grapas elásticas, que vienen provistas con chapas de gaucho, etc. La holgura de las juntas para este tipo de vías esta dada por la ecuación [1. 5].

Junta tipo B

Son aquellas vías donde las sujeciones son rígidas y generalmente sin elementos que mejorarían la eficiencia de la sujeción. La holgura esta dad por la ecuación [1.6]

donde:

L_2rieles = Longitud de dos rieles [m]

L_3rieles = Longitud de tres rieles [m]

Dt = variación de temperatura en grados

J = Holgura de la junta [mm]

NATURALEZA Y VIDA DEL RIEL

Tabla 1. 1 Composición química del acero para rieles.

DURMIENTES

DURMIENTES DE MADERA

Los durmientes que mayormente se emplean son los de madera. Para las vías Bolivianas tenemos en general las siguientes dimensiones 200 cm, y su sección transversal es un rectángulo de base 24 cm y 12 cm de altura. No se precisa, sin embargo, una sección perfectamente escuadrada, sino que la cara inferior sea plana y la superior ofrezca también una superficie plana de al menos 21 cm de ancho, que servirá de asiento para el patín del riel. En la figura 1.8 y la tabla 1.2 se tienen los tipos de secciones transversales y sus dimensiones para durmientes de madera en RENFE.

Fig. 1. 8 Tipos de secciones transversales de durmientes de madera en RENFE.

Tabla 1. 2 Dimensiones de las secciones transversales de los durmientes de madera en [mm]

Las maderas más corrientemente empleadas en la fabricación de durmientes son las de quebracho, cuchi, haya, pino, eucalipto. Es de recomendar que, como para cualquier explotación de un bosque, la tala se haga en el momento de paralización de la savia, e igualmente beneficioso es que se sequen bien los durmientes después de obtenido el tronco. El secado resulta necesario para la impregnación a que se las debe someter, porque sin esta operación los durmientes duran mucho menos.

Los durmientes, como todas las piezas de madera, se pueden secar al aire, procedimiento natural y primitivo, o por distintos sistemas de estufa, estos son procedimientos en los que se utiliza el fuego para calentar el aire o producir vapor con que se trata a las maderas, reduciendo el tiempo de su desecación. Después de esta previa operación se deberán impregnar de alguna sustancia antiséptica, que generalmente se introduce a presión en la madera. La sustancia que generalmente se emplea es la creosota, obtenida de la destilación del alquitrán de hulla; también se emplea el cloruro de zinc. El procedimiento de aplicación de la creosota, es el de inyección Ruping, que consiste en someter previamente los durmientes a la presión del aire en un autoclave[1] para abrir los canales de la madera, introduciendo luego la creosota caliente y elevando al doble la presión anterior, para que la creosota penetre en dichos canales.

Para el apoyó de los rieles sobre los durmientes, se hacen unas entalladuras, formando como una caja[2] en la que entra el patín del riel (figura 1.9), y se da a la superficie de apoyo una cierta inclinación, para que a su vez, la sección del riel no quede completamente vertical, sino con inclinación hacia el interior, inclinación que en casi todos los ferrocarriles viene a ser de 1/20 y 1/40.

Placa de asiento

Cajeo

Fig. 1. 9 Apoyo del riel sobre el durmiente.

Entré el durmiente y el patín del riel se coloca generalmente una placa metálica, llamada placa de asiento (Fig. 1.9), que tiene por objeto aumentar la superficie de apoyo del riel y también aumentar la resistencia al desplazamiento transversal del riel. Permiten suprimir o reducir la importancia del cajeo del durmiente. Los durmientes se asientan sobre el balasto, presionando éste bajo ellas con golpes de bate, a lo que se llama el bateado. Para el asiento de la vía se pueden emplear procedimientos mecánicos, por medio de los cuales se efectúan todas o parte de las operaciones: preparación de durmientes, cajeado y perforación, bateado, etc. Se ensaya incluso, y a veces se utiliza, el procedimiento de montar la vía fuera de la explanación, y luego trasladar a ésta tramos armados con rieles y durmientes.

Fig. 1. 10 Vía férrea para un ferrocarril con durmientes de madera.

La distancia entre durmientes es variable. Reduciendo esta distancia y aumentando el número de durmientes se aumenta la fortaleza de la vía. En la figura 1.10, se ilustra una vía férrea con durmientes de madera los cuales se encuentran con una separación de 50 cm entre ellos.

DURMIENTES METÁLICoS Y DE HORMIGÓN.

Hay también durmientes metálicos, huecos, que han dado buenos resultados, a pesar de ello, no se han generalizado mucho, como se ilustra en las figuras 1.11 y 1.12. Están colocadas hace unos cincuenta años en las líneas del país. El uso esta restringido, ya que allí donde él balasto es de piedra caliza ó silícea duran mucho; no así cuando hay carbonilla o tierras con yeso, que atacan al palastro de acero de que están formadas.

Fig. 1. 11 Sección longitudinal y planta de un durmiente metálico.

Sus extremos están doblados; de modo que bajo el durmiente queda aprisionado el balasto, el cual sujeta e impide el desplazamiento longitudinal y transversal. Por otra parte la unión del riel al durmiente es también muy fuerte por intermedio de placas de asiento; un tornillo sujeta el riel y la placa al durmiente, aventajando en esto al tirafondo del durmiente de madera.

Al ser mas pesado, el durmiente metálico compite menos con el de madera porque en elasticidad no la iguala, ya que la vía con durmiente metálico resulta más rígida y desde luego, más sonora al paso de los trenes. La elasticidad que el balasto y el durmiente de madera proporcionan no se obtiene con el metálico, sin contar con que la conductibilidad de éste lo hace impropio en líneas que tengan equipo de señalización con circuito de vía, y aun en las de tracción eléctrica.

Bastantes limitaciones se presentan para el empleo de los durmientes metálicos, por su alto costo de inversión. Estos durmientes son más bien propios de líneas secundarias, en las cuales, la conservación resulta verdaderamente económica, porque su duración puede ser muy grande, su colocación rápida y su manejo fácil.

Fig. 1. 12. Riel sobre durmiente metálico.

En la figura 1.13 y la tabla 1.3 se muestran las dimensiones básicas de la sección de un durmiente metálico.

Fig. 1. 13 Sección transversal de un durmiente metálico.

Tabla 1. 3 Dimensiones básicas de un durmiente metálico.

Existen también durmientes de hormigón armado, que empezaron por ser prismáticas y por lo tanto, sumamente pesadas, como se ilustra en la figura 1.14. En la figura 1.15 se muestra una línea férrea con durmientes de hormigón armado. Después han sido ideados diversos tipos, incluso una combinación de partes metálicas y partes de hormigón.

Fig. 1. 14. Durmientes de hormigón.

Fig. 1. 15. Línea férrea con durmientes de hormigón.

Se ensayan también tipos compuestos de hormigón y madera, como el de la Fig. 1.16, propuesto en Inglaterra, y que está constituido por dos tacos de hormigón armado con metal, unidos por un tabloncillo de unos 25 cm de ancho por 6,5 cm de espesor. Estos durmientes, no se usan en vías comerciales, a pesar que con este tipo se aprovechan las ventajas de la madera y se reduce su consumo, que vendría ha ser el principal fin de la fabricación de nuevos tipos de durmientes, ante la escasez cada vez mayor de este material.

Madera

Concreto

Fig. 1. 16 Vía sobre durmientes mixtos de madera y hormigón.

Entre