TRANSICIÓN DE LA VÍA ECLISADA A LA VÍA CON RIEL LARGO SOLDADO

TRANSICION DE LA VIA ECLISADA A LA VIA CON RIEL LARGO SOLDADO

Por el Ing. Civil Alberto J. Rosujovsky (UNS)*[i]

Ing. Civil Fabián Cinalli (UCA)*[ii]

Ing. Caminos, Canales y Puertos Meritxell Segarra (UPC)*[iii]

Ing. Civil Patricia L. Anzil (UBA)*[iv]

EVOLUCION DE LA VIA CON JUNTAS ECLISADAS A UNA VIA CON RIEL LARGO SOLDADO .

La vìa sobre balasto en sus inicios se proyectò como un emparrillado formado por durmientes de madera, fijaciones rìgidas y rieles de corta longitud, de hasta 36 m, arriostrados en sus extremos mediante piezas metálicas llamadas eclisas para garantizar la continuidad de la rodadura y guiado del material rodante. En este tipo de junta, entre dos rieles consecutivos se deja una pequeña abertura denominada cala o luz de junta y el punto donde se produce la unión se conoce como junta eclisada.

 

           

Figura 1.- Tradicional junta con bulones y eclisas. Frente y sección

A través de las eclisas se consigue dotar al punto de unión entre rieles de un comportamiento similar al de una viga continua, buscando obtener una resistencia mecánica similar a la de los rieles y permitiendo pequeños desplazamientos longitudinales producto de variaciones de temperatura ya que la longitud de los rieles, por corta que sea, se verá  afectada por las variaciones térmicas que experimentan. Si los rieles se dilataran ante un incremento de temperatura, bajo la suposición de que no existe rozamiento sobre los durmientes que les sirven de apoyo, se dilatarían siguiendo la ley de dilatación térmica y se contraerían en caso de un descenso de la temperatura.

Figura 2.- Deformación longitudinal debida al cambio de temperatura

A partir del momento en que los extremos de dos tramos de rieles consecutivos toman contacto, todo aumento de temperatura se traduce a una compresión. Para impedir que estas compresiones alcancen valores importantes que podrían favorecer la generación de deformaciones de la vía con implicancias a la seguridad de circulación, se dejan luces de dilatación para que normalmente los rieles entren sólo en contacto durante las temperaturas relativamente elevadas. Estas luces en el montaje y armado de la vía  dependen de la longitud de los rieles utilizados, de la naturaleza de las fijaciones, y de la temperatura de la enrieladura en el momento de su  colocación. Estas luces son restablecidas después, si es necesario, con determinadas tolerancias.

Figura 3.- Junta eclisada en vía  balastada

Pero veamos cómo se permite la dilatación y la contracción en la junta eclisada, tanto de seis o cuatro agujeros a partir de bulones de diámetro inferior al agujero de las eclisas. Ante variaciones de temperatura en los rieles se produciràn en èstos una dilatación o contracción, pero las eclisas, arriostradas a los mismos a partir de bulones, limitaràn dicho movimiento. Para ello, el movimiento por causas térmicas se permite a partir de la diferencia de diámetros entre bulón, orificio de eclisa y orificio de riel y a causa de la existencia de la cala  entre los extremos que materializan la junta eclisada.

            Una vìa con juntas demanda de un mantenimiento intenso, ya que la corta distancia entre ellas aumenta su número y con ello aumenta este trabajo de manteniminento.  Antes que nada consideremos  la situacón presentada en la figura 4 ante la existencia de  importantes descensos con el paso de las cargas (en la figura se observa el efecto del paso de la rueda sobre la junta). Así se somete al conjunto a grandes esfuerzos adicionales.

A esto se suma que la falta de intervenciones periódicas en las numerosas juntas podría originar juegos entre el riel y la eclisa o entre el riel y el durmiente, defectos de nivelación y alineación, deformaciones del riel, desgastes y aplastamientos del extremo del hongo por impactos de la rueda,

Figura 4.- Descenso del riel y por lo tanto del durmiente con el paso de las cargas

Por consiguiente, tanto un adecuado mantenimientode de las juntas como de sus luces  generará un aumento de la vida útil de la vía espaciando los trabajos de renovaciones o mejoramiento, confiriendo un mayor confort, (ya que también se evita el continuo golpeteo de numerosas juntas), y seguridad a la circulación y reducirá  los costos de conservación y  daños en el material rodante. De lo que se desprende no sòlo que el mantenimiento resulta oneroso  por ser muchas las juntas a mantener en una vìa conformada por rieles cortos, sino necesario con màs asiduidad para evitar mayores gastos en el futuro. No hay que olvidar entonces, que la vìa con juntas reza una màxima: LA VIDA DE LA JUNTA ES LA VIDA DEL RIEL.

Con el tiempo, modificaciones en los parámetros de explotación a exigir en las lineas existentes y futuras, como ser  mayores velocidades de circulación y mayores pesos por eje, dieron como resultado un rendimiento no satisfactorio en la vía con juntas. En la figura 5 se aprecia la evolución en el tiempo del aumento de estas exigencias.

Figura 5.- Exigencias con el paso del tiempo de mayores cargas y mayores velocidades en el tráfico ferroviario

 Estas exigencias de explotación, la escasez de madera para durmientes después de la Segunda Guerra Mundial, la introducciòn de la soldadura y las mejoras de la tecnologìa del hormigón y las técnicas de pretensado jugaron un papel importante en la reconstrucción de la red ferroviaria europea a travès de una vía tecnológicamente moderna, conformando el emparrillado con durmientes de hormigòn monobloque, fijaciones elàsticas que garantizan la fuerza de apriete a lo largo del tiempo y riel largo soldado. Con este diseño se logrò dar una respuesta satisfactoria a esta nueva demanda con mayores exigencias de explotaciòn.

                                                                             

Figura 6.- Soldaduras y fijaciones en RLS

Sin embargo el principio de la soldadura de rieles surgiò en el siglo XIX cuando el químico físico y metalurgico ruso Nicolay Beketov, en la Universidad de Jarkov en Ucrania, demostró entre 1859 y 1865  que el aluminio reemplazaba a los  metales en los óxidos si se sometìa ese óxido a altas temperaturas conjuntamente con el aluminio. Lo que sucede es una reaccion donde el aluminio se oxida y el hierro se reduce. La oxidación del aluminio produce más calor que la reducción de óxido de hierro. Esta reducción consume parte de ese calor y con el exceso de calor del metal reducido, èste se funde.

                              Fe₂O₃ + 2Al = Al₂O₃ + 2Fe + calor

 òxido de hierro(III) + aluminio = òxido de aluminio + hierro + calor

Beketov por su parte descubriò que esta  reacción generada, altamente exotérmica, requería de una alta energía de activación. Más tarde, entre los años 1893 y 1898, el químico alemán Hans Goldschmidt mejorò el proceso mediante la ignición de una mezcla de òxido de metal fino y polvo de aluminio, generando una reacción de arranque sin calentar la muestra externamente. La base de este proceso se utiliza actualmente para la soldadura aluminotèrmica de rieles, puesto que es posible realizarlo en lugares remotos, sin necesidad de muchas herramientas y con una pequeña fuente que inicie el proceso, pudiendo así alcanzar temperaturas tan altas que pueden fundir el material de los rieles y conseguir la soldadura entre metales, proceso que se conoce como soldadura aluminotermica.

Figura 7.- Proceso de soldadura aluminotérmica

Posteriormente se desarrolló un proceso de soldadura eléctrica sin aporte de material, que es un cortocircuito eléctrico regulado, donde los rieles actúan como polos de corriente contínua. La alta intensidad de la corriente produce un arco eléctrico entre los extremos y los perfiles de los rieles se calientan hasta la temperatura de fusión debido a la elevada energía aplicada. Luego se realiza un recalque presionando  un riel contra el otro con elevada fuerza y de esta manerá así se fusionan. El resultado es una unión soldada precisa y sin materiales ajenos a los rieles con una dureza prácticamente constante.

La técnica de la soldadura permitió evolucionar de una vìa con juntas a una vìa con soldaduras con el fin de  conformar el riel largo soldado, RLS, que abrió  la posibilidad de reducir en forma notable la cantidad de juntas, para aumentar así el confort y reducir el mantenimiento en forma inversamente proporcional a dicha cantidad.

En la actualidad se han desarrollado máquinas robot que realizan automáticamente el proceso de la soldaduras de rieles cumpliendo con la cada vez más exigente normativa europea. Estos robots reducen los trabajos preparatorios, producen una alineación automática,  con desbarbado por medio de cuchillas y con  enfriamiento controlado por computadora, etc. ofreciendo una òptima calidad, reducción de desperdicios y de tiempos de soldadura.

El número de estas soldaduras dependede la longitud elemental de los rieles producidos por las acerías. Esta producción también se vio superada a partir de mejorìas en la cadena de producción del acero y su laminación. Cabe destacar que la longitud de riel màs larga producida en Europa es de 120 m, en la acerìa ArcelorMittal de España. Mientras que en Asia, la japonesa Nippon Steel y Sumitomo Metal Corporation alcanzaron  la producción de rieles de 150 m de longitud (superiores a la longitud de una cancha de fútbol).

Ademàs de la fabricación, la distribución de los rieles condiciona la longitud final a la que llegaràn  a su destino final. Las acerìas cortan los rieles en secciones que oscilan entre los 18 a 50 metros de largo para facilitar su transporte en bodega y posterior distribución. En Argentina, dependiendo de la longitud de la bodega del barco en el que se transportan, los rieles llegan con longitudes comprendidas entre 18 y 25 m. Cabe destacar que en 2014, el astillero Kurushima Shin Co., líder en la construcción de una amplia variedad de tipos de buques,  fabricó el primer buque de 190 m de eslora con capacidad para transportar rieles de hasta 150 m de  longitud. Así el buque “PACIFIC SPIKE”  llega a transportar alrededor de 22.000 toneladas de riel de acero desde Yawata de NSSMC (Nippon Steel y Sumitomo Metal Corporation)  en Japón y al puerto de Stockton en el norte de California en Estados Unidos.

Figura 8.-Buque Pacific Spike con capacidad para llevar rieles de 150 m

            Pero, ¿Cuál es la razón por la cual el sistema RLS  se haya impuesto como técnica a nivel mundial? Entonces  hablamos de:

ü  una mayor seguridad en la explotación debido a una reducción de los desgastes acelerados de los rieles

ü  una reducción de los costos de mantenimiento tanto de la vía como de la conservación del material rodante

ü  un aumento de la vida del balasto y de la plataforma debido a la inexistencia de los golpes de junta

ü  una reducción del ruido y de las emisiones sonoras

ü  una reducción de los costos de energía de tracción

ü  la facilidad de mecanización del montaje y mantenimiento de la vía

ü  la mejora de la calidad de rodadura en los vehículos que garantiza un mayor confort para los pasajeros.

            Recordemos que en una vía con juntas hay que considerar que la rigidez de la vía en la zona de la junta no es constante puesto que se produce una variación brusca del momento de inercia. En la figura se aprecian las discontinuidades de la rigidez en la zona de la junta.

Figura 9.- Relación de rigideces en junta eclisada. Ir – inercia riel; Ie- inercia eclisa

            Estas circunstancias generan un costo del ciclo de vida más bajo en las juntas soldadas que con una vía con juntas eclisadas. Según tráficos circulados, una vía con juntas eclisadas resulta  entre un 50 a 70% más costosa en su mantenimiento que la vía constituida con riel largo soldado.

            Sin embargo, no en cualquier condición se puede implementar un riel largo soldado. Para su empleo resultan necesarias determinadas condiciones técnicas. Se precisa de

ü  una plataforma estable,

ü   un perfil de balasto permeable y completo con adecuada consolidación en toda su extensión,

ü   la garantía de imposibilidad de desplazamiento longitudinal riel-durmiente empleándose para ello fijaciones elásticas que proporcionen una alta resistencia al movimiento longitudinal como transversal del riel,

ü   curvas de radios no menores a los 250 metros con durmientes de hormigón monobloque con el fin de garantizar la estabilidad frente al pandeo,

ü   y un cuidadoso mantenimiento para mantener la vía dentro de las tolerancias geométricas admitidas.

     La justificación de dichas necesidades se desarrollará en un próximo artículo.

            Pero antes de concluir, hay que matizar que un riel largo soldado no es simplemente un riel con sus juntas soldadas, sino que además se precisa como condición necesaria imprescindible la siguiente: que posea una determinada longitud mínima que garantice que en los movimientos debido a variaciones térmicas, al menos uno de sus puntos se mantendrá fijo, cualquiera que sea la temperatura a la que esté sometido.

Encontrándose el riel sujeto por las fijaciones elásticas, cuando  se ve sometido a esfuerzos normales de compresión y tracción, como consecuencia de las variaciones de temperatura que experimenta, las fijaciones oponen resistencia a dichos esfuerzos, manteniendo el riel sujeto al durmiente. Sin embargo la oposición al movimiento del conjunto riel-durmiente la materializa el rozamiento existente entre el durmiente y el lecho de balasto. Dicha distribución de cargas alcanza un valor suficiente para oponerse al esfuerzo térmico, de manera que, en el desarrollo de esa longitud mínima, el riel sujeto a los durmientes experimentará dilataciones y contracciones. En el momento que se supere dicha longitud, los esfuerzos se equilibrarán y no se observarán movimientos.

            Contabilizado desde cada uno de los extremos del riel largo soldado, apodaron zona de respiración a la semilongitud mínima (hablamos de semilongitud pues el riel tiene dos extremos) a partir de la cual las tensiones causadas por variación térmica se verán equilibradas por la resistencia que ofrece el balasto.

            En el gráfico siguiente se observa la zona de respiración.

Figura 10.- Zona de Respiración en un RLS

            Resumiendo, la vía conformada con riel largo soldado tendrá un mayor ciclo de vida útil, brindará mayor seguridad en la explotación con una considerable reducción de generación de defectos y averías en los rieles, aumentará la vida del balasto y subbalasto y la plataforma , disminuirá el nivel de ruido y vibraciones  mayorando las condiciones de confort para las circulaciónes de pasajeros, hechos que se traducirán en importantes ahorros económicos en su mantenimiento al reducirse éste, tanto en el número de intervenciones como en la magnitud de los trabajos a efectuar, circunstancia que se reflejará positivamente en la explotación al encontrarse la infraestructura de vía con mayor disponibilidad para la circulación de los trenes.

Continuará.