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AMERICAN RAILWAY ENGINEERING AND MAINTENANCE OF WAY ASSOCIATION

Practical Guide to Railway Engineering

Railway Track Design 6-1

©2003 AREMA®

AREM A COMMITTEE 24 - EDUCATION & TRAI NING

Railway Track Design Brian Lindamood, P.E. Hanson-Wilson, Inc. Fort Worth, TX 76137-5422 [email protected]

James C. Strong, P.E. Parsons Transportation Group Martinex, CA 94553-1845 [email protected]

James McLeod, P. Eng. UMA Inc. Edmonton, AB. T5S 1G3 [email protected]

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Diseño de vías férreas Consideraciones básicas y lineamientos a ser usados en el Establecimiento de alineaciones ferroviarias horizontales y verticales.

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La ruta sobre la cual viaja un tren y se construye la vía se define como una alineación. Una alineación se define de dos maneras. Primero, la alineación horizontal define físicamente a dónde va la ruta o la pista (matemáticamente la Plano XY). El segundo componente es una alineación vertical, que define la elevación, subir y bajar (la componente Z).

Las consideraciones de alineación influyen más en el diseño ferroviario que en el diseño de carreteras por varias razones. Primero, a diferencia de la mayoría de los otros modos de transporte, el operador de un tren no tiene control sobre los movimientos horizontales (es decir, la dirección). El mecanismo de guía para vehículos ferroviarios se define casi exclusivamente por la ubicación de la vía y, por lo tanto, por la alineación de la vía. El operador solo tiene control directo sobre los aspectos longitudinales del movimiento del tren sobre una alineación definida por la vía, como la velocidad y la dirección de avance / retroceso. En segundo lugar, la potencia relativa disponible para la locomoción en relación con la masa a mover es significativamente menor que para otras formas de transporte, como los vehículos aéreos o de carretera. (Consulte la Tabla 6-1) Finalmente, la dimensión física de la unidad vehicular (el tren) es extremadamente larga y delgada, a veces se acerca a dos millas de longitud. Esto se compara, por ejemplo, con un remolque de barcaza, que puede abarcar de 2 a 3 trenes completos, pero solo puede tener 1200 pies de longitud. Estos factores resultan en limitaciones mucho más limitadas para el diseñador cuando se consideran alineaciones de instalaciones de terminales y patios pequeños, así como nuevas rutas entre ubicaciones distantes. El diseñador DEBE tener en cuenta el tipo de tráfico del tren (carga, pasajeros, tren ligero, longitud, etc.), el volumen de tráfico (número de vehículos por día, semana, año, ciclo de vida) y la velocidad al establecer las alineaciones. Los criterios de diseño para una nueva ruta de carbón a través de la pradera que maneja 15,000 toneladas de trenes de carbón de una milla y media de largo diez veces al día serán significativamente diferentes a la extensión de una línea de tren ligero (tranvía) en el centro de San Francisco. 6-33

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Carrier Ferrocarriles-flete Ferrocarriles-pasajeros Camiones de carretera y semirremolques Pasajero automóviles Remolques de rio Buques de carga a granel Aviones de carga Aviones-pasajeros Oleoductos Transportadores Tranvías aéreos (teleféricos)

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Caballo de fuerza por tonelada 3.15 – 1.00 neta 11.33 – 2.13

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Caballo de fuerza por pasajero 31.5 – 5.0

"Típico" Promedio de caballos de fuerza / tonelada neta 2.64 5.00 7.00

60.0 – 6.0

15.00

230 – 140

0.18 0.25 500 160 2.50 15.00 1.50

0.20 – 0.14 0.35 – 0.22 667 – 240 2.00 – 3.00 10.00 – 20.00 0.20 – 2.00

Table 6-1 Proporciones típicas de caballos de fuerza por tonelada

6.1Estacionamiento Los puntos a lo largo de una alineación generalmente se definen por millas, estacionamientos o ambos. Este último es habitual en las rutas ferroviarias de América del Norte. En yardas, terminales y desvíos, las millas (denominadas "hitos" o "tableros de millas") se reducen debido a la proximidad relativa de las pistas a un punto común. Estacionamiento (también denominado "Encadenar" es simplemente la numeración secuencial de los pies desde un punto de inicio hasta un punto final. Una sola estación tiene 100 pies de largo en unidades de EE. UU. O 1000 metros en unidades métricas. Un punto a una milla de una estación de inicio de 0 + 00 se designará como estación 52 + 80 (o 52.8). En métrica, ese mismo punto sería 1 + 600. En el momento de la construcción, todas las alineaciones tenían estacionado. La mayoría de los elementos a lo largo de una alineación pueden ubicarse por estaciones. Este es el sistema primario utilizado para ubicaciones dentro de muchos registros de ingeniería. Sin embargo, si una alineación ha estado en vigor durante un largo período de tiempo, como la mayoría de los ferrocarriles de América del Norte, es probable que haya sido cambiada o reubicada desde su construcción original. Estos cambios generalmente introducen lo que se denomina una ecuación de estación, que se requiere porque la longitud relativa de la alineación ha cambiado con la alteración. Otras causas de una ecuación de estación (pero ciertamente no todas las bases) incluyen la combinación de dos rutas separadas, registros perdidos o un período de tiempo prolongado entre las etapas de construcción para la alineación general. Los departamentos operativos utilizan con mayor frecuencia los hitos para la identificación de la ubicación. Aunque son menos precisos, se identifican más fácilmente y están referenciados a lo largo del derecho de paso con signos. Los puentes son normalmente identificados por 6-44

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Hitos, aunque también tienen estacionado asociado con ellos. Del mismo modo, no es raro que los hitos tengan el estacionamiento en los registros ferroviarios Tanto el uso de hitos como el estacionamiento para la referencia de las características ferroviarias existentes no están exentos de escollos. Esto es de interés para el diseñador cuando se contempla el trabajo a lo largo de una pista existente. La dirección de aumento de estacionado y aumento de hitos puede no ser la misma. No hay garantía de que los registros mantenidos por un ferrocarril sean correctos, o tengan la información más actualizada (este es el caso más frecuente). No es extraño que un ferrocarril haya vuelto a estacionar una línea, o incluso haya dado nuevos hitos. Hay líneas en las que esto ha ocurrido al menos dos o tres veces desde la construcción. Si bien el estacionamiento y los puntos de paso pueden haber cambiado en los registros de alineación, muchos instrumentos antiguos de derecho de paso, planes de puentes y otra información aún pueden hacer referencia a lo que había allí y no a lo que hay hoy.. El uso de información de hito es particularmente peligroso por varias razones. Primero, el estacionamiento inicial hace más de 100 años para establecer hitos no siempre fue significativamente preciso. La longitud real entre las etapas puede variar en miles de pies, aunque la mayoría están razonablemente cerca (menos de 100-200 pies). Agregar una variación adicional a la longitud era la práctica ferroviaria común para colocar el marcador de hito en el poste del telégrafo más cercano en lugar de en un poste indicador dedicado. Cuando los polos fueron movidos, reemplazados y cambiados, la señal se movió con ellos Las señales se perdieron y se reemplazaron, pero probablemente no se reubicaron con gran precisión. El estacionamiento en los hitos, junto con otros elementos que tienen tendencia a ser algo transitorios a largo plazo, incluidos los pasos a nivel, desvíos, apoyos de rieles, etc., siempre deben estar sujetos a mucho escrutinio antes de ser utilizados como base para el diseño. El diseñador siempre debe establecer la ubicación existente desde algún elemento, que no se haya movido en algún tiempo, preferiblemente el pilar de una estructura o alcantarilla más antigua, o lo mejor de todo, una esquina o marcador de derecho de paso definido. Si bien la ubicación y la terminología del hito no cambiarán generalmente como resultado del restablecimiento de su verdadera ubicación, proporcionará un marco de referencia para la ubicación de las nuevas instalaciones.

6.2 Alineamiento Horizontal Casi cualquier alineación puede definirse físicamente con variaciones de dos componentes: tangentes y curvas. Las alineaciones horizontales de las vías férreas existentes y propuestas generalmente reciben el mayor interés, ya que su ubicación parece ser la más fácil de comprender cuando se revisa la ubicación de las instalaciones entre sí. Una tangente es simplemente una línea recta entre dos puntos. Las tangentes se suelen denotar con rodamientos (N 3 ° 23’59 "E, por ejemplo). Sin embargo, debe señalarse que sin un punto de inicio y una longitud asociados con ese rumbo (y de este modo establecer la ubicación del segundo punto), no hay manera de establecer definitivamente 6-55

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la ubicación de la tangente en el espacio. Otros puntos a lo largo de una tangente dada pueden definirse de esta manera. Las tangentes, ya que son las partes más definitorias de las alineaciones y generalmente son los componentes utilizados en el establecimiento de las mismas, deben considerarse el componente de orden más alto. Las curvas, como se explica a continuación, que conectan efectivamente estas tangentes, son de segundo orden, ya que están definidas fundamentalmente por la ubicación de las tangentes y se pueden cambiar fácilmente sin cambios relativos mayores en la ubicación de alineación física. Donde se debe establecer una tangente existente y cuando dos puntos no son fácilmente definidos o conocidos, obtenga al menos tres puntos, que se cree que están en esta línea. Debido a que una tangente se puede definir solo por dos puntos, dos puntos ubicados a lo largo de una curva pueden definir una tangente. Solo a través del trabajo de al menos tres puntos y comparando los rumbos establecidos entre sí, se puede establecer una tangente verdadera. Si bien la diferencia en el rumbo entre tres puntos en una tangente debe ser cero, la precisión que brindan los equipos de topografía y los métodos de construcción es generalmente menor que la calculada a partir de los datos obtenidos, particularmente cuando la persona que realiza el cálculo no aprecia los dígitos significativos. La mayoría de los medios para realizar una regresión lineal en un conjunto de puntos de datos con el fin de establecer tangentes no tienen margen para esta situación. Por lo tanto, debe entenderse cuando se revisan los datos recopilados entre los puntos, hay un margen dentro del cual se puede asumir que cualquiera de los tres puntos es tangente. Este margen se basa en el criterio del diseñador y tiene en cuenta la condición relativa del elemento existente en el que se definirá la tangente, el nivel de precisión requerido y el margen de error general, que limita la funcionalidad de la instalación. Una alineación compuesta por más de una tangente generalmente incluirá un conjunto de puntos conocidos como Puntos de intersección, o "PI". Los puntos de definición de cada tangente se comparten con aquellas dos tangentes que están inmediatamente adyacentes a ella. Como estos puntos definen las tangentes, así como los puntos que pueden haber definido la ubicación de las tangentes de conexión, deben considerarse los puntos cardinales de la alineación. Aunque los puntos de segundo orden, como los Puntos de curva (PC) y los puntos a lo largo de las curvas, pueden ser definitorios, es la existencia del PI, que debe existir para que exista una curva. Es el PI que permanecerá constante entre dos tangentes a pesar de los cambios que se realicen en la curvatura en sí. Las curvas son elementos de alineación que permiten una fácil transición entre dos tangentes. Las curvas horizontales se consideran circulares, aunque en realidad son arcos, que representan solo una parte de un círculo completo. Todas las curvas se pueden definir por dos aspectos. El ángulo de desviación (I) se define en el punto de intersección (PI) por la diferencia en el rumbo entre las dos tangentes. Este aspecto es fijado por las tangentes. Con I, la curva se puede definir por cualquiera de los otros aspectos siguientes (consulte la Figura 6-2).

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Las curvas se especifican generalmente de una o dos formas, por Grado de curva o por Radio R. El grado de curva se puede definir de dos maneras. La definición de acorde (Dc) se define como el ángulo subtendido por acorde de 100 pies. La definición de arco (D) se define como el ángulo subtendido por arco de 100 pies. (Vea la Figura 6-3) En cualquier caso, la severidad o la nitidez de la curva se especifica como el grado de la curva, con números más grandes que representan curvas más

Figure 6-2 Punto de Intersección (PI)

estrechas (radio menor). Si bien las diferencias entre la definición de acorde y la definición de arco son leves en los grados de curvatura menores, la diferencia aumenta progresivamente a medida que las curvas se vuelven más estrechas (consulte la Figura 6-4). Además, las curvas definidas en acorde están estacionadas alrededor de los acordes subtendidos, mientras que las curvas definidas en arco están estacionadas sobre la trayectoria real de la curva (o arco). Nuevamente, las diferencias son leves en pequeños grados de curvatura, pero aumentan a medida que las curvas se hacen más nítidas. La diferencia de estacionado se amplía aún más por la longitud de la curva.

Figure 6-3 Grado de curva por acorde y definición de arco

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Figure 6-4 Longitud de la cuerda frente a la longitud del arco para el grado de curva

Los ferrocarriles de carga norteamericanos utilizan exclusivamente la curva definida por el acorde. Esto contrasta con el diseño de carreteras, algunos sistemas de tren ligero y casi todas las otras alineaciones históricamente y actualmente se diseñan con curvas definidas por arco. Si bien las diferencias individuales entre las curvas definidas de acorde y arco pueden considerarse leves para curvas específicas, esta diferencia se puede ampliar considerablemente en alineaciones más largas con cantidades moderadas de curvatura. Aunque una curva denotada por un grado de curva es fácilmente reconocido y aceptado por la mayoría ingenieros como establecer una cierta severidad de curvatura, la relación entre dos curvas con diferentes grados de curvatura no está tan ampliamente comprendida. Debe entenderse que el radio de una curva de seis grados no es exactamente la mitad del de una curva de tres grados. Debido a la naturaleza sinusoidal de las fórmulas, que producen los grados de nomenclatura de la curva, las diferencias relativas en los radios son más logarítmicas. Por ejemplo, el radio para una curva de dos grados es 2864.93 pies y 2292.01 pies para una curva de dos grados y medio. Esto se compara con 478.34 pies y 459.28 pies para curvas de doce y doce y medio grados respectivamente. . Se han establecido algunas alineaciones sobre el cambio de siglo en áreas montañosas a lo largo de la costa oeste, que usaban curvas definidas por el ángulo subtendido por una cuerda de 50 pies. No se sabe si o cuántos de estos alineamientos y registros pueden existir hoy. Se ha hecho alguna referencia a la definición de curvas

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métricas como D (grados por arco de 20 metros). Sin embargo, no parece haber una incorporación generalizada de esta práctica. Cuando se trabaja con un tren ligero o en unidades métricas, la práctica actual emplea curvas definidas por el radio. Cuando un vehículo atraviesa una curva, el vehículo transmite una fuerza centrífuga al riel en el punto de contacto de la rueda. Esta fuerza es una función de la severidad de la curva, la velocidad del vehículo y la masa (peso) del vehículo. Esta fuerza actúa en el centro de gravedad del vehículo ferroviario. Esta fuerza es resistida por la pista. Si el vehículo se desplaza lo suficientemente rápido, puede descarrilarse debido a un vuelco del riel, el automóvil da vuelta o simplemente descarrila la fuerza transversal combinada que excede el límite permitido por el contacto de la brida del riel. Esta fuerza centrífuga se puede contrarrestar con la aplicación de peralte (o bancario), que eleva efectivamente el riel exterior en la curva girando la estructura de la vía sobre el riel interno. (Vea la Figura 6-6) El punto, en el cual esta elevación del riel exterior en relación con el riel interno es tal que el peso se distribuye por igual en ambos rieles, se considera la elevación de equilibrio. La pista rara vez es superelevada a la elevación de equilibrio. La diferencia entre la elevación de equilibrio y el peralte real se denomina bajo balance. Aunque los trenes rara vez se vuelcan estrictamente por la fuerza centrífuga de la velocidad (generalmente descarrilan primero). Esta misma lógica se puede utilizar para derivar la velocidad de vuelco. La sabiduría convencional dicta que el vehículo ferroviario Figure 6-6 Effects of Centrifugal Force generalmente se considera estable si la resultante de las fuerzas cae dentro del tercio medio de la vía. Esto equivale a las 20 pulgadas del medio para el ancho de vía estándar, suponiendo que la carga de la rueda en la cabeza del riel tiene una separación de aproximadamente 60 pulgadas. A medida que esta fuerza resultante comienza a caer fuera de los dos rieles, el vehículo comenzará a volcarse y, finalmente, a volcarse. Se debe tener en cuenta que esta velocidad de vuelco variaría dependiendo de dónde se supone que está el centro de gravedad del vehículo. Hay varios factores, que se consideran al establecer la elevación para una curva. El límite establecido por muchos ferrocarriles es entre cinco y seis pulgadas para la operación de carga y la mayoría de las vías de pasajeros. También existe un límite impuesto por la Administración Federal de Ferrocarriles (FRA, por sus siglas en inglés) en la cantidad de desequilibrio empleado, que generalmente es de tres pulgadas para el equipo de carga y la mayoría del equipo de pasajeros.

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Los límites de bajo balance de más de tres a cuatro pulgadas (hasta cinco o seis pulgadas con la aprobación de FRA de una solicitud de exención) para un equipo de pasajeros específico pueden ser otorgados después de que se realicen las pruebas. La vía rara vez se eleva a la elevación de equilibrio porque no todos los trenes se moverán a velocidad de equilibrio a través de la curva. Además, reducir tanto el peralte máximo permitido junto con una reducción del desequilibrio proporciona un margen para el mantenimiento. La peralte se debe aplicar en incrementos de 1/4 de pulgada en la mayoría de las situaciones. En algunas situaciones, los incrementos pueden reducirse a 1/8 de pulgada si se puede determinar que los equipos de construcción y mantenimiento pueden establecer y mantener dicha tolerancia. Incluso si se determina que no se requiere peralte para una curva, en la práctica generalmente se acepta superelevar todas las curvas una cantidad mínima (1/2 a 3/4 de pulgada). Cada ferrocarril tendrá sus propios estándares de peralte y bajo balance, que deben usarse a menos que se indique lo contrario. La transición de la pista de nivel en las tangentes a las curvas se puede lograr de dos maneras. Para pistas de baja velocidad con peralte mínimo, que se encuentra comúnmente en patios y pistas industriales, la peralte se ejecuta antes y después de la curva, o hasta el comienzo de la curva si el espacio lo impide. Un valor comúnmente utilizado para este agotamiento es de 31 pies por media pulgada de peralte. En las pistas principales, se prefiere establecer la transición desde la pista de nivel tangente y la pista superelevada curva mediante el uso de una curva en espiral o de servidumbre. Una espiral es una curva cuyo grado de curva varía exponencialmente desde el infinito (tangente) hasta el grado de la curva del cuerpo. La espiral completa dos funciones, que incluyen la introducción gradual de peralte y la guía del vehículo ferroviario desde la vía tangente a la curva. Sin él, habría una carga dinámica lateral muy alta que actuaría sobre la primera parte de la curva y la primera parte de la tangente más allá de la curva debido a la repentina introducción y eliminación de las fuerzas centrífugas asociadas con la curva del cuerpo. Hay varios tipos diferentes de espirales matemáticos disponibles para usar, incluyendo el clotoide, la parábola cúbica y el lemniscado. De uso más común en los ferrocarriles son las espirales Searles, Talbot y AREMA de 10 acordes, que son aproximaciones empíricas de las espirales verdaderas. Aunque todas se han aplicado a aplicaciones ferroviarias en

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cierta medida en los últimos 200 años, Es la espiral AREMA de 10 acordes, que ganó aceptación en la primera parte del siglo XX. La diferencia en los resultados entre la espiral AREMA de 10 acordes y una parábola cúbica sobre la cual se basó es despreciable por ∆’s menos de 15 °, lo cual es suficiente para todas las situaciones, excepto algunas curvas de riel ligero apretado. Las espirales se definen por la longitud en incrementos de diez pies. Hay dos criterios generalmente utilizados para el establecimiento de la longitud de espiral. El primero es la aceleración rotacional del vehículo ferroviario sobre su eje longitudinal. El segundo es el valor límite de giro a lo largo de la carrocería del coche. Los criterios de aceleración rotacional generalmente solo se aplicarán a velocidades más altas. En el caso de que la aceleración rotacional dicte una espiral, que es demasiado larga para la ubicación deseada, se puede usar el valor de giro más corto de la carrocería. Si bien AREMA tiene valores establecidos desde hace mucho tiempo para las longitudes de espiral basadas en estos criterios, muchos ferrocarriles utilizan otros criterios. Haciendo referencia a la Sección 3.1.1 del Manual de AREMA para Ingeniería Ferroviaria, la fórmula recomendada para la longitud mínima de la espiral es: L(min) = 1.63(Eu)V Dónde

L(min) = Longitud deseable de la espiral en pies. Eu = peralte desequilibrado en pulgadas V = Velocidad máxima del tren en millas por hora.

Para los equipos especiales para pasajeros equipados con mecánicos de rodillos de automóviles con respecto a la pista, AREMA recomienda la siguiente fórmula para la longitud de espiral: L(min) = 62 Ea Dónde

L(min) = Longitud deseable de la espiral en pies. Ea = Elevación real en pulgadas

En lugares donde las obstrucciones hacen que sea imposible proporcionar una espiral de la longitud deseada o donde el costo de realineación sea prohibitivo, la espiral corta como se define por: L(min) = 1.22 Eu V puede ser usado. Dónde

L(min) = Longitud deseable de la espiral en pies. Eu = Elevación desequilibrada en pulgadas V = Velocidad máxima del tren en millas por hora.

La Junta de Investigación del Transporte (TRB) recomienda una fórmula adicional para la longitud de espiral para vehículos de tren ligero: L(min) = 1.13 EaV Además de las fórmulas de AREMA.

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L(min) = Longitud deseable de la espiral en pies. Eu = elevación desequilibrada en pulgadas V = Velocidad máxima del vehículo en millas por hora.

Las curvas en espiral se pueden replantear utilizando el método de ángulo de deflexión o usando desplazamientos de la tangente. Los siguientes procedimientos se proporcionan en el Manual de AREMA para Ingeniería Ferroviaria, Secciones 3.1.3 a 3.1.7.

Notaciones para Curva Espiral D = grado de curva circular d = Grado de curvatura de la espiral en cualquier punto. l = longitud desde el T.S. o S.T., a cualquier punto de la espiral que tenga las coordenadas x e y s = longitud l en estaciones de 100 pies L = longitud total de la espiral S = longitud L en estaciones de 100 pies δ = Angulo central de la espiral desde el T.S. o S.T. a cualquier punto de la espiral ∆ = Angulo central de toda la espiral. a = Ángulo de desviación desde la tangente en la T.S. o S.T. a cualquier punto de la espiral b = ángulo de orientación desde la tangente en cualquier punto de la espiral a la T.S. o S.T. A = ángulo de desviación espiral total B = Ángulo total de orientación de la espiral. Xo = coordenada de la ubicación designada de tangente offset o X, Y = Coordenadas de S.C. o C.S. de T.S. o S.T. k = aumento en el grado de curvatura por estación de 100 pies a lo largo de la espiral o = tangente distancia desplazada de tangente a curva simple extendida t = distancia tangente de T.S. a S.C. o C.S. a S.T.

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Figure 6-8 Componentes en espiral - Manual de AREMA para ferrocarriles para ingeniería ferroviaria, Capítulo 5

Fórmula para elementos espirales d = ks = kl/100; D = kS = kL/100 δ = (½)ks2 = dl/200; ∆ = (½)kS2 = DL/200 a = (1/3)δ = (1/6)ks2; A = (1/3)∆ = (1/6)kS2 b = (2/3)δ; B = (2/3)∆ y = 0.582δs - 0.00001264δ3 s x = 1-0.003048δ2s o = 0.1454∆ S Xo = (½)L - 0.000508∆ 2 S X = 100S – 0.000762K2S5 Y = 0.291KS3 – 0.00000158K3S7 t = 100S/2 – 0.000127k2S5 Ts = (R + o) tan (I/2) + Xo Es = (R + o)exsec (I/2) + o Replanteo de espirales por deflexiones De (o - Xo), Ts, la T.S. y S.T. Se puede ubicar desde el PI de la curva que se muestra arriba. La determinación de la Es es útil para ajustar el grado D de la curva circular si se desea limitar el lanzamiento del centro de la curva, o equilibrar el lanzamiento de la pista existente. Toda la espiral puede entonces correr desde la T.S. o S.T., después de determinar el ángulo de desviación "a" desde la tangente a cualquier punto de la espiral.

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Ángulos de desviación con el tránsito en cualquier punto de la espiral que no sea el T.S. se puede determinar a partir del principio de que la espiral en el punto de tránsito se desvía de una curva circular que tiene el mismo grado que la espiral en ese punto a la misma velocidad que lo hace desde la tangente en la T.S. Para continuar la espiral desde cualquier punto de tránsito intermedio, el tránsito se revisa en la T.S. con un ángulo establecido igual a dos veces el ángulo de deflexión de la T.S. al punto de tránsito. El tránsito entonces leerá cero a lo largo de la tangente a la espiral en ese punto. Para cualquier punto espiral subsiguiente, se calcula el ángulo de desviación para una curva circular, que tiene el mismo grado que la espiral en el punto de tránsito y una longitud igual a la distancia desde el tránsito hasta el punto espiral. A esto, el ángulo de deflexión se agrega para la misma longitud de espiral, pero se calcula, como sería desde el T.S. Para ubicar la espiral con el tránsito en el SC o CS, los ángulos de desviación, para establecer puntos en la espiral, son iguales a los ángulos de desviación para los puntos correspondientes en la curva circular (extendida), menos los ángulos de desviación de la espiral desde La curva circular. Los ángulos de desviación de la espiral desde la curva circular son los mismos que para las longitudes correspondientes de la espiral desde la T.S. En replanteo por desviación, a veces es conveniente dividir la espiral en un número de acordes iguales. La primera deflexión o inicial (a1) se puede calcular para el primer punto de acorde. Las desviaciones de los siguientes puntos de acorde son a1 veces el número de acorde al cuadrado. En el Apéndice se pueden encontrar ejemplos del método de replanteo de espirales por el método de deflexión. Replanteo de espirales por compensaciones La espiral se puede replantear en el punto medio mediante desplazamientos en ángulo recto desde la tangente y desde allí hasta los desplazamientos normales desde la curva circular (entre el desplazamiento T.C. y el S.C.). El desplazamiento en el punto medio 1/2 o y las otras compensaciones varían según los cubos de las distancias desde el T.S. o el S.C. El método de replanteo de una espiral mediante compensaciones se ilustra en el Apéndice. Aplicando la espiral a las curvas compuestas (AREMA 1965) Al aplicar una espiral entre dos curvas circulares de una curva compuesta, la longitud de la espiral se determina a partir de la velocidad de operación y la diferencia en la elevación de las dos curvas circulares. El desplazamiento en espiral "o" se puede encontrar a partir de la fórmula dada, utilizando un valor de D igual a la diferencia en los grados de curvatura de las dos curvas circulares. La espiral se extiende por la mitad de su longitud en cada lado del punto de desviación de la curvatura compuesta. La espiral se desvía desde el interior de la curva más plana y desde el exterior de la curva más aguda a la misma velocidad que lo haría desde la tangente. La espiral se puede replantear por ángulos de desviación desde cualquier extremo. Si el tránsito está ubicado en el punto espiral en la curva más plana, leyendo cero cuando se observa a lo largo de la tangente a la curva circular, los ángulos de desviación para establecer puntos en la espiral son iguales a los ángulos de desviación para los puntos correspondientes en la curva circular (extendido), más los

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ángulos de deflexión de la espiral. Si el tránsito se establece en el punto espiral en la curva más aguda, los ángulos de desviación son iguales a los ángulos de desviación para esa curva circular (extendida) menos los ángulos de desviación para la espiral. Como alternativa, la espiral se puede replantear mediante compensaciones de las dos curvas circulares. El desplazamiento en el punto medio de la espiral es igual a 1/2 o, y las otras compensaciones varían según los cubos de las distancias desde los extremos de la espiral. En el Apéndice se pueden encontrar ejemplos de la aplicación de una espiral a curvas compuestas.

6.3 Alineaciones verticales Las alineaciones verticales son generalmente menos complejas que las alineaciones horizontales. Como tal, parece que a menudo se pasan por alto durante la primera parte de muchos procesos de diseño, lo que resulta en un rediseño innecesario de alineaciones horizontales al final de la fase de diseño o en la resolución de diseños verticales menos que óptimos. Los grados, que deben ser recorridos por los vehículos ferroviarios, son generalmente mucho más limitantes que los vehículos de carretera, debido a la cantidad limitada de fricción disponible en la interfaz de la rueda de acero y la barra de acero, así como a la potencia de peso sustancialmente menor Relación de vehículos ferroviarios. Las alineaciones verticales están compuestas por los mismos dos componentes que las alineaciones horizontales (tangentes y curvas), pero con algunas diferencias en composición y terminología. Las tangentes verticales, comúnmente conocidas como calidades, son líneas rectas trazadas efectivamente en el plano Z o verticalmente. Estas tangentes se clasifican por el grado o inclinación. El grado se mide en la cantidad de aumento o caída en una distancia y se expresa en términos de porcentaje. Por ejemplo, un grado, que aumenta 1.5 pies en 100 pies viajados, se conoce como 1.5%. Si la calificación baja 1 pie sobre 200 pies, la calificación se denomina –0.5%. Tenga en cuenta que el positivo o negativo relativo está determinado por la ganancia neta o la pérdida de elevación en la dirección de la estación en aumento. Los conceptos correspondientes a dos puntos que definen una línea, tres puntos para establecer una tangente existente y dos tangentes que se encuentran en un PI son idénticos en concepto. Sólo la terminología es diferente. Al igual que las tangentes horizontales, las tangentes verticales se conectan generalmente a través de curvas. A diferencia de las alineaciones horizontales, las curvas verticales son casi siempre de naturaleza parabólica en lugar de circular. Las curvas verticales se especifican en longitud y se indican como el cambio total de la calificación dividido por la longitud de la curva vertical. Esta relación se denota como "R". Este es efectivamente el inverso de "K", que es empleado por los diseñadores de carreteras para los cuales los valores son la longitud de la curva por porcentaje de cambio de grado. La aplicación de curvas verticales a través de la especificación de R es muy mal entendida. AREMA había especificado durante mucho tiempo en el Manual de ingeniería ferroviaria 61515

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que los valores aceptables de R deben ser de 0.05 unidades para los hundimientos (valles) y 0.10 para las cumbres (colinas) para las líneas principales, y el doble de los valores anteriores para las líneas secundarias y secundarias. Wellington, un ingeniero muy respetado cuya orientación sobre el diseño de rutas ferroviarias aún hoy se tiene en gran estima hoy en día, parece que estos criterios se remontan a unos 140 años antes. Los ferrocarriles de carga modernos siguen utilizando criterios basados en esta guía, con la excepción de los patios de la industria y del patio donde los valores son mucho más altos.

L = Longitud de la curva vertical en estaciones de 100 pies R = Tasa de cambio de grado por estación. D = Diferencia algebraica de tasas de grado. M = Desplazamiento en elevación en B L = D/R Cuando la curva vertical es cóncava hacia abajo. M = (Elev B x 2) - (Elev A + Elev B)

4

Cuando la curva vertical es cóncava hacia arriba. M = (Elev A+ Elev C) - (Elev B x 2)

4 El desplazamiento de cualquier otro punto en una curva vertical es proporcional al cuadrado de su distancia de A o C a B. Las compensaciones son: cuando la curva vertical es cóncava hacia abajo y + cuando la curva vertical es cóncava hacia arriba. La crítica de este criterio es doble. Primero, el resultado es generalmente curvas verticales largas, que son desproporcionadas con respecto a otras utilizadas en aplicaciones similares, como carreteras. La segunda es la opinión de muchos de los que creen que el establecimiento de la longitud de la curva vertical debe basarse parcialmente en la velocidad del vehículo y, por lo tanto, en la aceleración vertical. Recientemente, AREMA adoptó nuevos criterios similares a los empleados por los diseñadores de trenes ligeros, y algunas otras compañías de trenes de pasajeros se han apartado de la guía previa de AREMA. El nuevo procedimiento resuelve la longitud por: L=

D ×V 2 × K A

dónde: A = aceleración vertical en ft/sec2

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D = Valor absoluto de la diferencia en las tasas de calificaciones expresadas como un decimal. K = 2.15 factor de conversión para dar L en pies L = Longitud de la curva vertical en pies. V = Velocidad del tren en millas por hora. La AREMA recomienda un valor de 0.10 y 0.60 para las operaciones de carga y pasajeros, respectivamente, para las curvas de inclinación y cumbre. Los ferrocarriles específicos o las agencias ferroviarias de pasajeros pueden usar valores diferentes para A, que deben establecerse antes del diseño. Los nuevos criterios producirán curvas verticales más cortas para la mayoría de las situaciones de carga. Se debe advertir al diseñador que cuando se aplicaron los criterios anteriores no basados en la velocidad, no hay restricciones generales para las ubicaciones de una curva vertical única en relación con otras o con la geometría horizontal. Sin embargo, AREMA recomienda específicamente no colocar curvas verticales diseñadas con los nuevos criterios dentro de los límites de elementos espirales horizontales o dentro de 100 pies de curvas verticales adyacentes. Algunas organizaciones ferroviarias de pasajeros incorporan una fórmula para el cálculo de longitudes de curvas verticales, que es similar a la definición de autopista que usa "K". Un ejemplo de esta formulación es el siguiente: Crestas LVC = 250 (A) expediente LVC = 500 (A) Dónde LVC = Longitud de la curva vertical en pies. A = |(G2 – G1)| = Diferencia algebraica en gradientes conectados por la curva vertical en porcentaje G1 = porcentaje de grado de tangente que se aproxima G2 = porcentaje de grado de salida de la tangente En general, estos valores pueden o no producir resultados similares a la nueva metodología AREMA.. Al aplicar cualquiera de los criterios de curva vertical, el diseñador puede generar un cálculo para la longitud de curva vertical requerida a los decimales de un pie. En la práctica, el diseñador debe redondear el valor calculado hasta al menos los diez pies más cercanos (por ejemplo, 537.51 pies se convierte en 540 pies). Asimismo, algunos ferrocarriles tienen límites en la longitud mínima de las curvas verticales. Por ejemplo, el diseñador debe ser consciente de 50 o 100 pies.

6.4 Diseño de alineación Espacio libre En un mundo perfecto, todas las alineaciones ferroviarias serían tangentes y planas, proporcionando así las operaciones más económicas y la menor cantidad de mantenimiento. Si bien este 61717

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nunca es el conjunto de circunstancias en las que trabajará el diseñador, es ese ideal que debe conocer para optimizar cualquier diseño. Desde la perspectiva macro, ha existido durante más de 150 años, el problema clásico de ubicación ferroviaria en el que se debe construir una ruta entre dos puntos. Una opción es construir una ruta más corta con pendientes pronunciadas. La segunda opción es construir una ruta más larga con mayor curvatura a lo largo de una topografía suave y en pendiente. El desafío es que el diseñador elija la mejor ruta según los criterios generales de construcción, operación y mantenimiento. Este ejemplo se muestra a continuación.

Figure 6-9 Curvatura pesada en Santa Fe - Manual técnico ferroviario - Cortesía de BNSF

Basta con decir que, en el entorno actual, el diseñador también debe agregar al modelo de decisión las preocupaciones ambientales, la política, los problemas de uso de la tierra, la economía, los niveles de tráfico a largo plazo y otros criterios económicos mucho más allá de lo que tradicionalmente se ha considerado. Estas consideraciones adicionales van mucho más allá de lo que normalmente es la tarea del diseñador del diseño de alineación, pero todas las afectan. El diseñador tendrá que trabajar con estos problemas ocasionalmente, dependiendo del tamaño y alcance del proyecto. En un nivel más discreto, el diseñador debe tomar los componentes básicos de alineaciones, tangentes, calidades, curvas horizontales y verticales, espirales y peralte y construir una alineación, que sea rentable de construir, fácil de mantener, eficiente y segura de operar. Ha habido una serie de directrices, que se han desarrollado en los últimos 175 años, que tienen en cuenta lo anterior. La aplicación de estas pautas será suficiente para aproximadamente el 75% de la mayoría de las situaciones de diseño. Para las situaciones restantes, el diseñador debe tener en cuenta cómo 61818

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se utilizará la pista (Tipo de tren, velocidad, frecuencia, longitud, etc.) y basándose en la experiencia y el juicio, debe tomar una decisión educada. La decisión debe coincidir con la del eventual propietario u operador de la pista sobre cómo producir la alineación con la liberación de al menos una de las pautas de restricción. Si bien AREMA tiene algunas pautas generales para el diseño de alineación, cada ferrocarril generalmente tiene sus propias pautas de diseño, que complementan y amplían las recomendaciones de AREMA. A veces, se puede emplear una guía menos restrictiva de otra entidad para resolver el problema de diseño. Otras veces, se puede cambiar una restricción específica del proyecto para permitir la excepción. Otras veces, es más complicado, y el diseñador debe entender cómo se desempeñará un tren para poder tomar una decisión educada. Las siguientes son breves discusiones sobre algunos de los conceptos que deben considerarse al evaluar cómo se establecieron las directrices más comunes. Un tren de carga se compone más comúnmente de energía y automóviles. La potencia puede ser una o varias locomotoras ubicadas en la parte delantera de un tren. Los coches se ubican en una línea detrás de la potencia. Ocasionalmente, la potencia adicional se coloca en la parte trasera, o incluso en el centro del tren y se puede operar de forma remota desde la cabecera. El tren se puede visualizar efectivamente para esta discusión como una cadena que se encuentra en una mesa. Figure 6-10 Acoplador automático

Asumiremos por simplicidad que todo el poder está en un extremo de la cadena.

Los trenes, y en este ejemplo, la cadena, siempre tendrán fuerzas longitudinales que actúan a lo largo de su longitud a medida que el tren se acelera o desciende, y también reacciona a los cambios de pendiente y curvatura. No es inusual que un tren esté en compresión sobre una parte de su longitud (fuerza longitudinal negativa) y en tensión (positiva) en otra parte. Estas fuerzas a menudo se denominan fuerzas "buff" (negativas) y "draft" (positivas). Los trenes suelen estar conectados entre sí con acopladores (Figura 6-10). Las conexiones mecánicas de la mayoría de los acopladores en América del Norte tienen varias pulgadas (hasta seis u ocho en algunos casos) de juego entre tirar y empujar. Esto se denomina holgura.

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Si se considera que un tren largo de 100 carros puede tener 6000 'de largo, y que cada carro puede tener seis pulgadas de holgura, se hace matemáticamente posible que una locomotora y la parte delantera de un tren se muevan cincuenta pies antes de la parte trasera. se mueve en absoluto Como resultado, la parte dinámica de las fuerzas de tiro y calado puede llegar a ser bastante grande si la operación del tren, o lo que es más importante para el diseñador, la geometría de la alineación contribuye significativamente a las fuerzas longitudinales. A medida que el tren se mueve o acelera, la cadena se tira de un extremo. La fuerza en cualquier punto de la cadena (Figura 6-11) es simplemente la fuerza que se aplica al extremo delantero de la cadena menos la resistencia de fricción de la cadena que se desliza sobre la mesa desde el extremo de la cabeza hasta el punto que se considera. Figure 6-11 Fuerza aplicada en todo el tren - Manual técnico de ferrocarril ATSF - Cortesía de BNSF

A medida que la cadena se tira en línea recta, El resto de la cadena sigue un camino idéntico. Sin embargo, cuando la cadena se tira alrededor de una esquina, la parte central de la cadena quiere desviarse de la trayectoria inicial del extremo frontal. En un tren, hay tres cosas que evitan que esto ocurra. Primero, la fuerza centrífuga, a medida que el vagón se mueve alrededor de la curva, tiende a empujar el carro lejos del interior de la curva. Cuando esto falla, las pisadas de las ruedas están inclinadas hacia dentro para alentar al vehículo a mantener el rumbo de la pista. El último recurso es la acción de la brida de la rueda golpeando el riel y guiando la rueda de nuevo en curso. Intentar empujar la cadena provoca una situación diferente. Un suave empujón en una cadena corta generalmente permitirá cierto movimiento a lo largo de una línea. Sin embargo, a medida que se aplica más fuerza y la cadena se hace más larga, la cadena quiere doblarse de la misma manera que una columna sobrecargada y sin refuerzo se doblaría (vea la Figura 6-12). Las mismas teorías que Euler aplicó a la teoría de pandeo de columnas pueden aplicarse conceptualmente a un tren bajo fuertes fuerzas de buff. De nuevo, la única resistencia a la fuerza de pandeo se convierte en la interfaz rueda / riel.

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Con este ejemplo de cadena, se hace evidente que cuanto mayor sea el número de curvas que debe atravesar un solo tren, más quiere el tren desviarse de su ruta propuesta. Por lo tanto, es importante concluir que una curva larga es mejor que varias curvas más pequeñas con colectivamente la misma defección total. El acto físico de doblar el tren, enderezar el tren, doblar el tren y enderezar el tren ejerce más fuerza (es decir, desgaste y mantenimiento) en la estructura de la vía que intenta guiar el vehículo ferroviario. Si la estructura del riel varía de una condición perfectamente mantenida y / o un automóvil de una condición de mantenimiento similar pasa por el mismo punto, la probabilidad de un descarrilamiento aumenta. También es menos cómodo para los pasajeros. Esta reducción en el número individual de curvas debe aplicarse también a las curvas verticales. (Vea la Figura 6-13) Las fuerzas de tiro y buff pueden variar mucho en la longitud de un tren como resultado de las calificaciones. A medida que un tren viaja a lo largo de una alineación, las fuerzas producidas por

Figure 6-12 Euler's Critical Buckling Theory

una determinada longitud de tren en una determinada gravedad de grado cambia constantemente. Es mucho más fácil para un ingeniero compensar las calificaciones largas y constantes que tener que ajustar constantemente los frenos y las posiciones del acelerador para mantener velocidades constantes en un terreno ondulado. Aunque las curvas compuestas no son infrecuentes con las alineaciones ferroviarias, las curvas de retroceso deben evitarse a toda costa. Con las curvas inversas, hay dos componentes dinámicos que actúan en un solo automóvil o vehículo ferroviario que causa un efecto de giro, lo cual es preocupante. El primero utiliza el ejemplo de la cadena.

Figure 6-13 Fuerzas de tiro y tiro inducidas por curva vertical - Manual Técnico ATSF Railroad - Cortesía de BNSF

Cada vagón de tren representa un eslabón en la cadena. Un extremo de la cadena tiene fuerzas laterales aplicadas en una dirección desde las fuerzas de tiro o de pulido además de las fuerzas centrífugas. El otro extremo del carro tiene fuerzas similares aplicadas, pero en la dirección opuesta (vea la Figura 6-14). El efecto neto es una pareja sobre el centro del coche. Esto se compara con un automóvil en una sola curva en la que las fuerzas en cada extremo del automóvil actúan en la misma dirección y, por lo tanto, actúan de forma contraria entre sí. Este efecto de pareja aumenta en gran medida la probabilidad de que el tren se doble y, por lo tanto, un descarrilamiento.

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En segundo lugar, cuando el vehículo ferroviario abandona la primera curva, el efecto de guía de la pista actúa para contrarrestar la fuerza centrífuga hasta el momento en que el primer camión salga de la curva. El momento de rotación alrededor del eje vertical del automóvil generalmente forzará el efecto de restricción desde el riel exterior hacia el riel interno inmediatamente después de salir de la curva.

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Figure 6-14 Ángulo de ataque Ruedas principales que ingresan a una curva Manual técnico del ferrocarril ATSF - Cortesía de BNSF

Tener una segunda curva de inversión provocará que una fuerza repentina y abrupta que actúa cambie la rotación del automóvil en la otra dirección. Esta inversión repentina de dirección provoca fuerzas horizontales excesivas a través del riel en la interfaz rueda / riel, lo que puede ser un riesgo de descarrilamiento. También hay un límite práctico entre las traducciones de caras acopladoras de automóviles contiguos. Un vagón de ferrocarril que atraviese una curva hará que las caras del acoplador en el extremo extremo del vagón se trasladen al exterior de la primera curva. Este exterior de la primera curva se traduce en el interior de la segunda curva. El carro contiguo que traduce la segunda curva desplazará la cara del acoplador hacia el exterior de la segunda curva, que es opuesta a la primera. Existe un límite práctico, basado en el diseño individual de cada vehículo (que puede no ser el mismo para cada uno), lo que puede ocasionar que uno de los dos vehículos salga de la pista si la curvatura es demasiado aguda. Para aliviar este efecto de guiñada, todas las curvas de reversión deben estar separadas por una tangente entre las curvas, aunque la longitud exacta requerida dependerá de varios factores. El Manual de AREMA para la Ingeniería Ferroviaria proporciona recomendaciones solo para pistas de patios, y recomienda encarecidamente al menos una distancia de longitud de carro entre las curvas de inversión. Sin embargo, hay algunas disposiciones para tangentes mucho más pequeñas, o incluso ninguna entre curvas menores en pistas de patio cerradas y de uso ligero. Los ferrocarriles en sí mismos generalmente tienen sus propios criterios, y la mayoría insiste en al menos la longitud de un auto, independientemente de las restricciones. En el caso de que no se puedan evitar las curvas de inversión, no se debe aplicar un peralte en la pista (nivel cruzado de 0 ") para al menos una longitud de carro a cada lado del punto de curvatura inversa (PRC). La longitud de la tangente entre las curvas de inversión en líneas fuera de los patios y terminales es generalmente mucho más larga. Para la carga, cada ferrocarril tiene sus propios requisitos, generalmente de 150 a 300 pies, dependiendo de la velocidad y las condiciones de la vía. Esto permite que las inestabilidades sutiles de un vagón de ferrocarril que sale de una curva en una tangente se estabilicen antes de introducir fuerzas para hacer que se mueva en la dirección opuesta. Para el tráfico de pasajeros, el criterio generalmente aceptado es una longitud tangente que representa dos segundos de tiempo de viaje (algunas agencias prefieren tres segundos). Este criterio se basa generalmente en la comodidad del pasajero,

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y puede extenderse para lugares donde dos segundos de viaje equivaldría a menos de una sola longitud de coche. Las limitaciones de los raíles ligeros para las curvas de inversión son similares a las de los raíles pesados, y las restricciones resultantes tienen las mismas causas. Debido a que los trenes son más cortos y la vía puede diseñarse para vehículos ferroviarios específicos, los criterios específicos para longitudes tangentes entre curvas pueden definirse de manera más general. El Manual de diseño de vías de la Junta de Investigación del Transporte (TRB) para el tren ligero en tránsito recomienda una longitud tangente deseada entre curvas de 300 pies, con un mínimo absoluto de 100 pies. Para pistas de plomo y espuelas industriales, se debe proporcionar una distancia tangente mínima de 50 pies entre los puntos de la curva. Todos los desvíos deben estar ubicados en tangentes. La curvatura máxima permitida se puede definir por varios factores. Para las líneas principales, la velocidad máxima práctica del tren está generalmente limitada por la curvatura. Sin embargo, solo porque una ruta propuesta pueda planearse para velocidades de tren de solo 30 mph, no significa necesariamente que todas las curvas deban ser lo más nítidas posible. Las curvas agudas dan como resultado más mantenimiento y más gastos operativos. El diseñador debe sopesar las condiciones operativas y físicas, de manera que tanto la curvatura como la gravedad no presenten costos de mantenimiento indebidos o restricciones operativas. Otras consideraciones deben tenerse debidamente en cuenta durante el desarrollo de la alineación. El uso de grandes cantidades de peralte para permitir altas velocidades en curvas moderadas donde los trenes pueden detenerse con frecuencia también tendrá un efecto adverso. Considere una línea principal con una velocidad de 70 mph. Sin embargo, hay un punto de control a solo 1,500 pies más allá de una curva de 1 grado y 45 minutos. Esta colocación de la curva causa dos preocupaciones. En primer lugar, podría haber problemas con la distancia de visión donde la señal absoluta no se puede ver con la suficiente antelación para poder detener un tren sin una señal roja a la velocidad del horario. En segundo lugar, suponiendo que el ferrocarril incorpore una pulgada de desequilibrio, la curva sería superelevada cinco pulgadas. Este nivel de cruce extremo de la vía es un riesgo significativo de descarrilamiento si los trenes se detienen con frecuencia en la señal absoluta. La ubicación de los cruces de nivel o los diamantes de cruce de ferrocarril también puede limitar la velocidad del tren. Un cruce de grado propuesto de una calle con alto peralte puede requerir modificaciones significativas o inaceptables al perfil vertical de la carretera. Los diamantes que cruzan con frecuencia están restringidos a velocidades de trenes de 40 mph o menos debido a consideraciones de seguridad y mantenimiento. Para la guía de calibre estándar, la inclinación del riel y el perfil cónico de la banda de rodadura de la rueda generalmente guiarán al vehículo sobre rieles hasta tres grados antes de que el contacto brida / riel comience a ocurrir regularmente (por lo tanto, comienza un desgaste significativo de la curva de la cabeza del riel). Los ferrocarriles de carga norteamericanos de gran recorrido frecuentemente tienen una curvatura bien superior a tres grados, y pueden ser de diez a doce grados o más. En estas situaciones de curvatura cerrada, los obstáculos físicos a la alineación aparentemente fueron tan costosos de eliminar, que se aceptó el aumento significativo en los costos de mantenimiento y la reducción en la eficiencia operativa a pesar de la aplicación de una curvatura alta. 62323

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En general, la mayoría de los ferrocarriles de carga de América del Norte prefieren nuevas líneas construidas para uso moderado a pesado para incorporar una curvatura de seis a siete grados y medio o menos. La curvatura dentro de los patios, terminales y pistas industriales se basa más en límites prácticos y consideraciones de mantenimiento. Para los ferrocarriles de carga, la mayoría de los equipos pueden atravesar físicamente curvas de diecisiete grados o más, pero con frecuencia hay restricciones en la composición del tren que no siempre se pueden tener en cuenta y se deben evitar tales curvaturas extremas. El problema de la curvatura extrema se puede manifestar de una de tres maneras. Existe un límite práctico en cuanto a la capacidad de giro de los camiones de ferrocarril debajo de la carrocería del automóvil antes de verse restringidos por las características físicas del diseño del automóvil (aberturas delanteras de la caja del acoplador que mantienen a los acopladores en línea para facilitar el acoplamiento). Muchas veces, el automóvil puede volverse más agudo, pero los componentes críticos, como el aparejo de los frenos, se dañan aunque el automóvil no esté físicamente descarrilado. El segundo límite tiene que ver con la posición relativa de las caras del acoplador en los extremos de los automóviles. Cuando un automóvil atraviesa una curva, el centro del automóvil entre los camiones se traduce en el interior de la curva, mientras que los extremos del automóvil y los acopladores se traducen al exterior de la curva. Si los dos autos acoplados son del mismo diseño, el factor limitante puede ser si las esquinas internas de los extremos de los autos se pueden juntar, o si el acoplador está torcido hasta el punto de falla. Un problema mayor es un automóvil más largo acoplado a un automóvil más corto (Figura 6-15). La cara del acoplador del automóvil más largo se traslada más lejos de la línea central de la pista que la más corta, y físicamente saca el automóvil más corto de la vía. El automóvil más corto suele ser el que descarrila primero debido a la ventaja mecánica de la distancia más larga desde el extremo del automóvil más largo hasta el centro de camiones.

Figure 6-15 Carro largo acoplado a un Carro corto - Manual técnico del ferrocarril - Cortesía de BNSF

La curvatura extrema también es un problema que resulta de las fuerzas longitudinales en un tren. Las fuerzas de empuje y tiro que actúan a través de las caras del acoplador de los autos individuales en las curvas naturalmente resultarán en un componente de fuerza horizontal. A medida que el radio de la curva disminuye, la componente horizontal de esta fuerza se hace más grande. A medida que las curvas se agudizan y las fuerzas del tren aumentan debido a factores geométricos, operativos o de tamaño del tren,

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la probabilidad de un descarrilamiento, al menos en parte como resultado de un aumento de las fuerzas longitudinales, aumenta. Durante el proceso de diseño para patios, terminales o pistas industriales, el diseñador debe primero considerar las pautas proporcionadas por el ferrocarril de servicio. Estos deben seguirse de cerca para el diseño de terminales y patios, con las excepciones de diseño que se identifican con anticipación y las variaciones menores. Para el diseño de vías industriales, el diseñador debe sopesar todas las restricciones y los estándares de vía de los ferrocarriles de servicio antes de exceder las pautas. En la mayoría de los casos, el ferrocarril de servicio habrá publicado pautas que limitan la curvatura en pistas industriales de 9 ° 30 ‘a 12 ° 30’. Dependiendo de la situación, el ferrocarril de servicio puede o no aprobar una curvatura más allá de estos límites, pero habrá un límite final que no servirá a pesar de la afirmación de que el equipo ferroviario puede atravesar físicamente la alineación propuesta. Cualquier excepción deberá ser aprobada antes del servicio por el ferrocarril, por lo que esta aprobación debe otorgarse antes de la construcción. Cabe señalar, además, que en aquellas instalaciones que manejan trenes unitarios u otros cortes largos de automóviles, las pautas proporcionadas por el servicio de ferrocarril son generalmente mucho más estrictas. Los límites de curvatura para el tráfico de trenes ligeros son mucho más altos que para los equipos de trenes pesados tradicionales. Al igual que el tren pesado, la curvatura de la línea principal generalmente está limitada por una combinación de prácticas de peralte y velocidad vehicular. Sin embargo, en la mayoría de los sistemas de tren ligero, todos los vehículos son iguales o muy similares. A veces, el equipo ferroviario está diseñado específicamente para la geometría de vía del sistema existente. Debido a esta homogeneidad del equipo en los sistemas independientes, las limitaciones de curvatura se pueden abordar más fácilmente ya que el mismo límite se aplica a todos los equipos en lugar de a una gama de valores que se encuentran en los equipos muy diferentes manejados por los sistemas de riel pesado. El radio mínimo generalmente aceptado es de 500 pies para las rutas principales generales. Esto se puede reducir a tan solo 115 pies para la pista incrustada en el pavimento. Los mínimos absolutos son establecidos por el equipo utilizado y pueden ser tan bajos como 82 pies o menos. Debido a que los gradientes severos a lo largo de una alineación pueden afectar la velocidad final, el uso de combustible y los requisitos de potencia, los gradientes en las nuevas alineaciones generalmente se analizan más de cerca que las alineaciones horizontales. Los gradientes ferroviarios son generalmente mucho menos severos que las carreteras. Donde una carretera en áreas montañosas puede tener grados de seis u ocho por ciento, un grado ferroviario solo puede ser de 1.5% o hasta alrededor de dos por ciento. Para el diseño de la ruta de la línea principal, se debe definir el concepto de grado gobernante. El grado gobernante a lo largo de una alineación es el grado cuya severidad y longitud de curvatura combinadas es el criterio que define la potencia de la locomotora para entrenar el tonelaje. (Consulte el Capítulo 2: Visión general de la industria). Este grado puede no ser el más inclinado o el más largo. Más cortos, los grados más empinados se denominan grados de impulso. La severidad de estos grados es lo suficientemente corta para que el impulso del tren que se mueve a la velocidad de la vía combinada con la potencia máxima del tren sea capaz de ascender el nivel a una velocidad aceptable.

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Si el grado gobernante se vuelve demasiado severo, el ferrocarril puede tener lo que se denomina un distrito auxiliar. Esta es una sección de la alineación donde se agregan locomotoras adicionales al tren (generalmente al final, pero ocasionalmente en el frente o en el medio) para ayudar al tren a subir (y algunas veces hacia abajo) la pendiente. Estos grados generalmente superan el dos por ciento y deben evitarse debido a las ineficiencias que conlleva la operación. En la mayoría de los casos, los ferrocarriles de carga de América del Norte limitarán todos los nuevos grados de línea principal a menos del uno por ciento. Las calificaciones para el equipo de pasajeros generalmente pueden ser más severas porque el equipo es más liviano en relación con la potencia disponible para superar la calificación. Sin embargo, la razón por la que la relación potencia / peso es menor para el equipo del pasajero es porque la velocidad deseada es más alta que con la carga. La relación entre la potencia, que proporciona velocidad y el esfuerzo de tracción, que se necesita para superar las calificaciones, es tal que un ligero aumento en el gradiente puede resultar en una pérdida sustancial de velocidad a más de 50 mph. Los grados pronunciados en las rutas de pasajeros deben limitarse a segmentos muy cortos o grados de impulso, o en áreas donde la velocidad del tren ya está restringida debido a la curvatura u otras restricciones. Los gradientes de tren ligero son aún más flexibles, con grados de línea principal del cuatro por ciento comúnmente ascendidos sin pérdida de velocidad. Las calificaciones cortas pueden ser tan altas como siete por ciento o más. Sin embargo, los criterios del fabricante del vehículo y del sistema de tren ligero definen el gradiente máximo permitido en cualquier sistema en particular. A muchos diseñadores se les ha enseñado a tratar de equilibrar el trabajo de clasificación durante la construcción. En la práctica, esto ha llevado a ferrocarriles construidos con grados ondulados. Si estos grados se vuelven significativamente diferentes, el manejo del tren se vuelve muy difícil porque las diferentes partes del tren cambian constantemente de un calado a uno nuevo y de nuevo a una condición de calado. Con fluctuaciones extremas de grado, el tren puede realmente romperse en dos de estas ondulaciones. Una buena práctica de diseño debe permitir que un solo tren nunca esté en más de un grado al mismo tiempo que aumenta o disminuye. La operación real de la pista debe considerarse al establecer calificaciones. Los puntos de control en gradientes severos son particularmente problemáticos (Figura 6-16). Un tren pesado que desciende una pendiente a menudo tendrá dificultades para detenerse ante una señal de parada inesperada. Del mismo modo, los grados ascendentes deben limitarse a 0,50% cuando los trenes pesados deben comenzar desde una parada.

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Figure 6-16 Punto de control en un grado pesado - Manual técnico de ferrocarril ATSF - Cortesa de BNSF

Las calificaciones en yardas y pistas industriales pueden ser en ocasiones más pronunciadas que las que se encuentran en las líneas principales debido a la velocidad limitada y la longitud del tren. Los ferrocarriles que prestan servicios proporcionarán lo que consideran sus gradientes máximos para vías industriales y de patio (normalmente, los límites se encuentran entre el 1,5% y el 3,0%, según el transportista). Aunque ocasionalmente se excede, el tres por ciento parece ser un máximo práctico para la mayoría de las terminales de carga. El diseño de los grados ferroviarios debe tener en cuenta lo que está sucediendo con la alineación horizontal correspondiente. Los sistemas de frenado de trenes funcionan mediante el uso de aire presurizado. No es la existencia de aire presurizado en el depósito del sistema de frenos de un vagón de ferrocarril, sino la presión diferencial creada por la liberación de aire del depósito que realmente produce la acción de frenado. Sin el freno de mano y sin aire en el sistema de frenos, los vagones pueden rodar. Esta situación se presta bien para el cambio y la clasificación de los automóviles, de modo que los autos pueden ser liberados (o pateados) y se les permite rodar por pistas particulares. En las principales instalaciones de clasificación, los patios de gravedad o joroba se utilizan para la clasificación de los coches. Los vagones de carga se envían a través de una joroba y se les permite rodar libremente bajo la influencia de la gravedad en pistas predeterminadas en forma de cuenco, donde descansan o son detenidos por los autos que ya están allí. La capacidad de rodar de los automóviles permite la clasificación de las calidades dentro

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de los astilleros como una desaceleración de menos del 0.10%), balanceo (entre 0,10% y 0,25%) y aceleración (mayor que 0,25%). Vea la Figura 6-17. Estos conceptos se vuelven importantes no solo para los astilleros, sino también para las pistas industriales. A pesar del hecho de que las buenas prácticas operativas dictan que los autos que se quedan en una industria o revestimiento deben tener al menos un freno de mano para evitar movimientos, Figure 6-17 Gradientes de diseño de patio

La cantidad de autos que de alguna manera terminan con el freno de mano no puesto es preocupante. Las pistas, que deben tener los coches en reposo durante cualquier período de tiempo, deben ser relativamente planas (