TRANSICIÓN DE RIGIDECES EN LA VÍA Parte II

 TRANSICIÓN DE RIGIDECES EN LA VÍA Parte II

 

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Figura 4.- Deformaciones producidas pro las solicitaciones en la vía

Existe consenso en que hay una rigidez vertical óptima: vías con rigideces menores experimentarán excesivas deformaciones geométricas y aquéllas con una rigidez mayor sufrirán un mayor deterioro estructural.

VARIACIÓN LONGITUDINAL DE LA RIGIDEZ VERTICAL

Definida la rigidez vertical de la vía cabe preguntarse si la misma se mantendrá constante en todo un trazado longitudinal. Y la respuesta es no. A lo largo del mismo se producen variaciones abruptas de rigidez, unas aleatorias y otras ante la presencia de puntos singulares tales como puentes de tablero abierto y cerrado, alcantarillas, túneles, materiales de características diferentes que integran la estructura de vía, aparatos de vía, pasos a nivel, etc. En la mayoría de estos puntos la rigidez vertical experimenta alteraciones, básicamente por distintas composiciones estructurales como por ejemplo diferencias  en el espesor de las capas de asiento. En el ingreso o salida de los puentes y viaductos, especialmente en aquéllos que poseen fundaciones indirectas, se genera un salto considerable en la rigidez vertical de la vía. En muchos túneles, al encontrarse la superestructura de la vía sobre  el macizo rocoso, la rigidez varía con respecto a las zonas donde está en contacto directo con el terraplén. En las obras de arte menores como alcantarillas, también se observan distintas condiciones en cuanto a la rigidez vertical de la vía dependiendo de la tapada existente .

Otro punto singular es el constituido por los aparatos de vía que presentan en su conformación elementos más rígidos a la flexión que en la vía común. Por ejemplo el sector del cruzamiento tiene componentes con momentos de inercia superiores al resto de la vía, al igual que los rieles especiales utilizados para agujas y contraagujas de los aparatos modernos, sumándose además otro factor de aumento de la rigidez debido a que los durmientes tienen mayor sección, presentan distintas longitudes y se disponen con menor distancia entre ellos. Todos estos factores aumentarán la rigidez vertical en toda la extensión de un aparato de vía.

También se producirán variaciones de rigidez en una vía con superestructura conformada con capas de balasto y sub-balasto, dado que con el tiempo se originan asientos verticales proporcionales a los millones de toneladas circuladas, producto de la  compactación de sus elementos granulares, la generación de finos por la fricción entre las aristas vivas de dichos elementos y la modificación de su  granulometría por fragmentaciones, fenómenos que inevitablemente contribuirán a la disminución de sus propiedades elásticas.

Resulta menester que en todos estos puntos singulares  se logre una variación progresiva de la rigidez vertical .

Centrando el análisis en la solución para lograr una variación progresiva de la rigidez vertical  entre una obra de arte y el terraplén contiguo, se destaca que los factores que influyen en el comportamiento estructural de la vía en estas transiciones se agrupan en: factores externos: carga y velocidad de los trenes, vibraciones producidas por los mismos e influencias ambientales como el agua y  variaciones de temperatura; factores geotécnicos y estructurales: naturaleza de las cimentaciones, núcleo de los terraplenes y capas de asiento, tipología estructural, rigidez, etc.; factores de la vía: características del emparrillado (riel, durmientes, fijaciones, enrieladura con juntas o rieles largos soldados), balasto - sub balasto y limitaciones impuestas a la calidad geométrica.

           Descripto el parámetro de la rigidez y la identificación de los diferentes elementos que confieren variaciones de la misma, debe preguntarse ¿cuál es el interés en estudiar el efecto de esta variación? El carácter “brusco” genera alteraciones en la marcha del tren afectando el confort de los pasajeros, pero vemos que incluso en líneas con servicios de carga se deben evitar estas variaciones. El motivo es que estos gradientes producen deformaciones en el paquete estructural de la vía obligando a  intensificar las tareas de mantenimiento para garantizar los parámetros de explotación.

PARÁMETROS RRELACIONADOS CON LA VARIACIÓN DE RIGIDEZ

El ingeniero francés André Prud’homme en las décadas del 60 y del 70, cuantificó la desviación estándar de las sobrecargas verticales dinámicas en la vía (variación esperada con respecto a la media aritmética) diferenciando entre las provocadas por el peso suspendido (todo peso que para llegar al riel está amortiguado) y las provocadas por el peso no suspendido del material rodante (ejes, cajas de grasa,  motores y  transmisiones) sin amortiguar.

Asimismo estableció que  cuanto mayor sea el peso no suspendido de un vehículo, más agresivo será el vehículo con la vía  ya que las sobrecargas dinámicas incidirán sobre ella bruscamente. La calidad geométrica de la vía (b) y su rigidez vertical (r ó k) son los parámetros que inciden en mayor medida para evitar las sobrecargas dinámicas.

FORMULA DEL COMPORTAMIENTO ELASTICO DE LA VIA:

 

donde:

s_{(∆ QNS)}: desviación estándar de las sobrecargas dinámicas debidas a las masas no suspendidas

              del    material rodante.

 V        : Velocidad de circulación [Km/h]

     b       : Variable relacionada con los defectos de la vía y de las ruedas del vehículo        

     m_NS    : masa no suspendida del vehículo [t]

 k         : rigidez vertical de la vía [t/mm]

     ϒ(ε)    : Amortiguación del emparrillado de vía

Esta fórmula permite considerar, además de la velocidad y la calidad geométrica de la vía, la influencia directa de sus características estructurales  a través de su rigidez vertical. En el cálculo de las sobrecargas dinámicas del vehículo  éstas pueden alcanzar más del doble de la carga estática cuando la rigidez es elevada y la geometría de vía deficiente.

EFECTOS PRODUCIDOS  POR  VARIACIONES LONGITUDINALES DE LA RIGIDEZ

Por la propia definición de rigidez vertical, su variación incide de forma significativa en el asiento de la vía; a medida que este se produce, las fuerzas de interacción entre vía y vehículo aumentan, se vuelve a incrementar  el asiento y con ello las fuerzas, repitiéndose otra vez el proceso.  Se genera así uno un efecto de espiral creciente entre las fuerzas de interacción y los asientos verticales.

Una variación de rigidez indica que se ha producido o se producirá un deterioro, tanto en la infraestructura o superestructura como en el material rodante, pues, dicha variación implica una respuesta diferente en los elementos receptores ante las solicitaciones recibidas. En un punto singular de mayor rigidez el conjunto de la vía experimentará deformaciones permanentes por encontrarse fuera del campo elástico.

¿Cuál es por lo tanto el mecanismo de deterioro? Los cambios en la rigidez, tal y como cuantificó Prud’homme, causarán variaciones en las sobrecargas dinámicas, cuyo incremento dará lugar a nuevos asentamientos diferenciales debido a la permanente deformación del balasto y de la estructura subyacente. El hecho se produce por la repetición de las cargas y la gravedad de la acción dependerá de la calidad y comportamiento del balasto, de la subestructura y de la fundación. Estas  variaciones de la rigidez conducen también a la aparición de vibraciones entre el vehículo y la vía, provocando problemas locales de deterioro como fatiga, desgastes prematuros o roturas de riel, deformaciones plásticas, durmientes bailarines, etc.

Diferentes estudios coinciden en que la variación de la rigidez vertical lleva al deterioro de la vía, produciendo  modificaciones  de los parámetros geométricos por los asientos diferenciales sucesivos. Su deterioro es perjudicial ya que se modifican las condiciones para las cuales fue diseñada, pero el mayor problema es que los asientos continúan  aumentando a lo largo del tiempo por las acciones del tráfico y  las variaciones longitudinales de la rigidez vertical  conducen a la degradación de la nivelación de la vía.

Al pasar de una zona de mayor a menor rigidez, como la salida de un puente, se produce un aumento del asentamiento caracterizado por el deterioro de la geometría, la degradación del balasto y el movimiento de los durmientes en la vía de menor rigidez. En el caso contrario, cuando se ingresa a zonas de mayor rigidez la fuerza de contacto rueda riel varía de forma más acusada ya que el aumento de la carga se produce en el lado de alta rigidez en una distancia corta produciendo  cargas de mayor impacto. En esta situación, los problemas típicos son la fatiga de la superficie del riel y el deterioro en  durmientes y almohadillas de apoyo.

En todo lo analizado, se hizo referencia a puntos que presentan una tipología previsible ante cierta característica, pero las variaciones de rigidez a lo largo de la vía también se dan de forma aleatoria, por  fallas en las capas de asiento, sin que exista alguna tipología determinada como la de un punto singular. Estas variaciones aleatorias se presentarían distanciadas entre sí pudiendo originar oscilaciones de baja frecuencia en el material rodante, lo que supondría falta de confort para los pasajeros y la transmisión de vibraciones en los edificios cercanos a la infraestructura ferroviaria.

Desde el punto de vista económico ¿cuál es el efecto que tiene la variación longitudinal de la rigidez vertical?

Dichas variaciones generan incrementos en los trabajos de mantenimiento en aquellas zonas donde aparecen, pues la velocidad de deterioro en la calidad geométrica de la vía viene condicionada por su rigidez vertical. Estudios realizados en este sentido ponen de manifiesto que la magnitud de la rigidez vertical incide de forma significativa en los costos de mantenimiento y además suponen un aumento de la energía necesaria para la tracción de los trenes.

Otro efecto que se produce a raíz de esta diferencia de asientos es que se puede provocar el descalce de los durmiente conocido como “durmientes bailarines”, incrementando las cargas sobre la plataforma y  la formación  de desalineaciones al paso de los trenes. Por lo tanto, los efectos producidos por  irregularidades de la rigidez vertical generará  el desafío de diseñar una infraestructura  capaz de resistir los efectos y acciones del tráfico, la climatología (protegiendo adecuadamente a la plataforma) y mantener dentro de límites aceptables los costos de operación, de conservación y  seguridad, además del confort de los pasajeros.