INTRODUCCIN AL DISEO DE FERROCARRILES ( NOTA: este documento es un borrador, no debe ser usado an como fuente de consulta sobre diseo de ferrocarriles. En este Edublog se est utilizando como ejemplo de aplicacin de las ventajas del Edublog en el proceso de aprendizaje- enseanza) CAPTULO 1. GEOMETRA DE LA VA 1.1 INTRODUCCIN - DEFINICIN

EL sistema frreo o ferrocarril es aquel sistema de transporte en el cual los vehculos se desplazan sobre un camino de rodadura definido por rieles metlicos, el cual proporciona un guiado unidireccional al vehculo. El ferrocarril convencional de la actualidad es un sistema de transporte terrestre en el que los vehculos se apoyan sobre un camino de rodadura, conformado por rieles y traviesas, utilizando ruedas metlicas 1.2. CONCEPTOS CARACTERSTICOS DEL FERROCARRIL Los elementos bsicos de un sistema frreo son : El vehculo : tren o vagones enlazados, llamado tambin material rodante. La va frrea : llamada tambin carrilera o va permanente. La va frrea tiene que cumplir 3 funciones bsicas: Actuar como estructura de soporte: la va permanente soporta al vehculo que se desplaza. Esta tarea est destinada especficamente al riel , cuya misin es transferir uniformemente las cargas al suelo. Guiado unidireccional, la va frrea solo permite que los vehculos se muevan en el sentido predeterminado por su geometra. Esto representa ciertas restricciones o desventajas en situaciones como cruces, adelantos, retornos, etc, pero tambin tiene la ventaja de permitir un control total sobre la circulacin vehicular, hacindose ms fcil la automatizacin del sistema. Adherencia: los vehculos o material rodante tienen caractersticas especiales de traccin y frenado, por tanto una de las funciones de la va frrea es proporcionar la adherencia del vehculo al piso (riel). Una buena adherencia, con un mnimo de friccin, hace que el trabajo

de desplazar el vagn con carga sea ms fcil 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 va frrea bastan 3 kg para inducir el movimiento ya que hay menos friccin entre la rueda metlica y el riel metlico.

1.3 ELEMENTOS QUE DEFINEN LA GEOMETRA DE LA VA No todas la topografas permiten trazar vas frreas ya que la operacin de los trenes est limitada a ciertos rangos de pendientes y de curvatura. La naturaleza de la carga a transportar tiene tambin gran incidencia en el diseo geomtrico de la va frrea. 1.4 Componentes del trazado 1.4.1 Alineamiento horizontal Rectas Curvas horizontales El alineamiento horizontal de los ferrocarriles, al igual que el vertical, est condicionado por las caractersticas topogrficas del terreno sobre el cual se construye. Aunque se deben evitar pendientes fuertes, y de hecho algunas son inadmisibles, por razones econmicas el trazado de una va frrea debe adaptarse tanto como sea posible a la configuracin natural del terreno; para ello se utiliza en su diseo una combinacin de lneas rectas y tramos curvos tanto en planta como en perfil. Otro factor condicionante del alineamiento horizontal es la trocha o ancho e va, la cual se mide como la distancia entre las superficies ms prximas de las caras laterales de los rieles, a 14 mm por debajo del plano de rodadura.

Figura. Trocha va frrea

Segn la dimensin de la trocha los ferrocarriles se clasifican as: Nombre Medida de la trocha Lugar de uso Ferrocarriles de Trocha Angosta 750mm - 1067mm Argentina con 750 mm Colombia con 914mm Japn y frica con 1067mm Ferrocarriles de Trocha Ancha 1594 mm - 1800mm Rusia 1524 mm Espaa 1668 mm Brasil 1800mm Ferrocarriles de Trocha Estndar o media 1435 mm El resto del mundo

El alineamiento horizontal de una va frrea se compone de una sucesin 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 crculo de diferentes radios, o por crculos combinados con curvas espirales. Una va frrea debe tener la mayor parte de su longitud en tramos rectos, sin embargo, cuando sea necesario usar curvas, stas debern 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 est definido como aquel ngulo 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, segn el sistema de medida en que se est trabajando. A diferencia de las carreteras, la localizacin de las curvas de una va frrea no se hace ubicando cuerdas sino arcos unitarios ( de 100 pies o 20m). Las expresiones matemticas para curvas circulares simples son las siguientes:

La curvatura o grado de curvatura en ferrocarriles se define como el inverso del radio. Con el valor de la curvatura se podra hacer un grfico Curvatura vs. abscisa que permitira 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 mnima entre ellas, la cual se debe calcular como ET = V/2 con V en Km. por hora y ET en metros. En trminos generales la entretangencia mnima en ferrocarriles es de 30 m, pero cuando se trate de curvas reversas, la entretangencia debe calcularse como se indic antes. En ferrocarriles deben evitarse las curvas con G mayor de 13, 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 daado por el esfuerzo generado en ellas por la fuerza centrfuga. PERALTE EN FERROCARRILES Usualmente, por una misma va frrea transitan tanto trenes de carga como de pasajeros, pero los de carga transitan a menos velocidad que los de pasajeros. Si en una va se colocara el peralte mximo definido anteriormente, utilizando V como la velocidad de operacin para transporte de pasajeros, los trenes de carga quedaran descompensados. Si se colocara el peralte calculado con V igual a la velocidad de operacin de los trenes de carga, entonces los pasajeros sentiran molestia en su viaje. Para evitar lo anterior, se ha tomado un valor de peralte denominado " peralte prctico" que es aqul valor que permite no descompensar la carga , pero al tiempo brinda comodidad y seguridad a los pasajeros. En Espaa y Francia hprctico=( 2/3) .hcalculado En la India hprctico=( ).hcalculado En Italia hprctico=hcalculado pero calculando con la velocidad promedia entre los trenes de carga y los de pasajeros

Cuando no sea posible obtener la entretangencia ideal entre dos curvas del mismo sentido, se debe conservar constante el peralte mximo entre las pendientes de transicin, por lo menos a lo largo e 30 m. Ver figuras 27, 28 y 29 del libro de ferrocarriles

(copiar aqu lo de las notas de Eafit hojas 1/10 a 10/10de la clase de febrero 15 de 2000) CURVAS DE TRANSICIN EN FERROCARRILES Al unir una curva circular con una lnea recta, aparece sbitamente la necesidad de darle al punto de tangencia PT (o PC) un peralte h igual al h.ideal , o al menos igual al h.prctico, , con el fin de compensar la aceleracin lateral o centrfuga producida por efecto de la curva. Al pasar de recta a curva, se est pasando de manera sbita 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 transicin. De esta manera la necesidad de peralte tambin ser progresiva y podr desarrollarse a lo largo de la curva de transicin. Las curvas de transicin tambin se usan para conectar dos curvas circulares de radios diferentes. En la prctica se puede omitir el uso de curvas de transicin 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 aceleracin est entre 0.2 y 0.3 m/seg2. Las curvas ms usadas como curvas de transicin son : Leminiscata de Bernoulli Clotoide o Radiode de Arcos Parbola Cbica Parbola de cuarto orden Cualquiera que sea el tipo de curva que se utilice, la curva seleccionada para la transicin debe ser de radio variable a medida que vara su longitud y por lo tanto debe cumplir el objetivo de variar el radio desde infinito ( o muy grande) hasta el radio de la

curva circular en una longitud dada. La longitud a lo largo de la cual debe efectuarse la transicin se conoce como LT "Longitud de Transicin". Para definir su magnitud deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: Pendiente del peralte o desarrollo gradual del peralte Velocidad de elevacin de las ruedas exteriores Variacin en el tiempo de la aceleracin lateral remanente o no compensada por el peralte La influencia de estos aspectos se explica a continuacin: Pendiente del peralte o desarrollo gradual de peralte: a lo largo de la curva de transicin el peralte va aumentando , por tal razn los dos rieles que conforman la va dejan de ser paralelos y las ruedas exteriores de cada vagn estn en cotas diferentes entre si y en cotas diferentes respecto a las ruedas interiores del mismo vagn. Esto podra 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 varan en cada pas. Rusia pendiente mx. para el desarrollo de peralte 1mm/m Francia pendiente mxima para el desarrollo del peralte 1.5mm/m Inglaterra, Espaa y Alemania 2.5mm/m

(Pendiente redactar lo de los otros criterios para hallar longitud de la curva de transicin)1.4.2 Alineamiento vertical

(pendiente de redactar)

1.4.3 seccin de va Cuando se requiere el uso de dos o ms vas frreas paralelas en una misma seccin transversal de la va, es necesario dejar una distancia mnima entre los ejes de dos vas adyacentes, de modo que se permita de modo seguro el paso simultneo de trenes circulando por las vas paralelas, bien en el mismo sentido o en sentido contrario. La separacin entre los ejes de las vas adyacentes se conoce con el nombre de ENTREVA y su valor depende, entre otros factores, del glibo esttico y dinmico de los vehculos que circulan por la lnea. En alineaciones rectas en planta, la entreva puede ser constante a lo largo de todos los tramos rectos de la va, a menos que se presenten situaciones especiales como andenes, zonas verdes, etc, que obliguen a aumentar esta entreva En vas de circulacin normal, no de alta velocidad la entreva estndar es: Francia 3700 mm Alemania 3600 mm Gran Bretaa 3404 mm Metro Medelln 3750 mm En los trenes de alta velocidad la entreva mnima en cualquier pas es de 4000 mm

En las curvas horizontales la entreva deber ser mayor ya que la rigidez de los vagones nos les permite adaptarse a la forma curva de la va frrea, entonces es necesario dotar la seccin 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 inclinacin de los vagones debida al peralte Por efecto dinmico del peralte Por juego entre vas y vehculos

Por longitud de los vagones: debe construirse tanto en el lado interno como en el externo El sobreancho interno, denominado Slong int Est dado por la expresin:

Slong int = C2 8*R Y el sobreanchos externo denominado Slong ext Slong ext = L2-C2 8*R donde L es la longitud del vagn C es la distancia entre pivotes de bogie, o sea la distancia entre ejes de rotacin del vagn

Por inclinacin de los vagones debida al peralte Adicionalmente, tambin se requiere un sobreancho en el lado interior de la curva en el cual se considera el efecto del peralte al inclinar el vagn transversalmente . Este se denomina SA per y est dado por la expresin:

SA per = H*h S Donde : H es la altura del vehculo ms alto que circular en esa va H es el peralte S es la dictancia entre rieles de ejes de la misma va frrea

Por efecto dinmico del peralte: Las cajas de los vagones, o los contenedores transportados tienen una tendencia a recostarse, debido a la aceleracin 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 razn, 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 dinmico del peralte. Se denomina SA est = 0.25 SA per En ocasiones se coloca a ambos lados

Por inclinacin de los vagones debida al peralte Por juego entre vas y vehculos A veces el tamao relativo de los vagones y los trenes vara , por tanto se recomienda un sobreancho adicional de 2.5% de la entreva total Entreva en curvas= (entreva estndar en rectas + Slong int +Slong ext +SA per + SA est)*1.025

1.5

Influencia de la funcin va en sus caractersticas geomtricas

Como ya se dijo anterior mente, la funcin bsica de una va frrea es proporcionar un guiado unidireccional al tren, adems de servir de soporte y proporcionar adherencia con mnima friccin entre las ruedas y el riel. Estas funciones bsicas traen como consecuencia la necesidad de construir peraltes y sobre anchos, los cuales ya se explicaron, a fin de garantizar que no habr descarrilamientos y volcamientos que impidan el guiado adecuado del vehculo. En consecuencia, puede decirse que la funcin de la va es la que determina caractersticas geomtricas tales como el peralte, el ancho de va, los sobreanchos en curvas horizontales y la pendiente longitudinal

El tipo de servicio que la va frrea a de prestar, de carga o pasajeros es tambin una de sus funciones y est representado en la velocidad de operacin que los trenes tendrn sobre dicha va. Por tanto, la velocidad del tren, y en consecuencia las caractersticas geomtricas que de ella se derivan, tambin estn seriamente influenciadas por la funcionalidad de la va frrea. As,

Vmax= 4.5 R

Con R en m y V en k/h