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• Yandira Gabriela Huanca Solares

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PROYECTO VIAS FERREAS

Semestre 2-2012

DIMENCIONADO DE LA INFRAESTRUCTURA Y SUPERESTRUCTURA UNA VIA FERREA 1.- INTRODUCCION Y GENERALIDADES Se denomina vía férrea a la parte de la infraestructura ferroviaria formada por el conjunto de elementos que conforman el sitio por el cual se desplazan los trenes. Las vías férreas son el elemento esencial de la infraestructura ferroviaria y constan, básicamente, de ríeles apoyados sobre traviesas que se disponen dentro de una capa de balasto. Para su construcción es necesario realizar movimiento de suelos y obras complementarias (puentes, alcantarillas, muros de contención, drenajes, etc.).

Univ. Castellon Aguilar Mauricio Agustin

1

PROYECTO VIAS FERREAS

Semestre 2-2012

2.- OBJETIVOS.Objetivo General.Realizar el dimensionado de la infraestructura y superestructura de una via ferea junto con todos sus elementos. Objetivos específicos. Realizar el dimensionado de:  Sección de riel.  Sección del durmiente.  Altura de balasto o base.  Plataforma o explanación.  3.- MARCO TEORICO: Definición de una vía férrea Un ferrocarril se define como el camino provisto de perfiles paralelos denominados rieles, sobre los que se deslizan una serie de vehículos movidos por tracción eléctrica, motores eléctricos o motores diesel - eléctricos Clasificación En la actualidad no se cuenta con una clasificación unificada de las líneas del ferrocarril, debido a que las mismas presentan una gran variedad en sus características. Tomando en cuenta algunos puntos de vista, se pueden clasificar en:

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

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2

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Semestre 2-2012

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

4.- DATOS GENERALES DEL PROYECTO Localización del proyecto

Nuestra Señora de La Paz Chuquiago marka

Bandera

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Escudo

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Localización de {{{nombre completo}}} en {{{mapa_loc}}}

Ubicación de La Paz en Bolivia

País

Bolivia

• Provincia

Pedro Domingo Murillo

• Department

La Paz

Ubicación

16°30′8″S 68°09′56″O16.50222, 68.16556Coordenadas: 16°30′8″S 68°09′56″O-16.50222, 68.16556 (mapa)

• Latitud

16°30′0″S

• Longitud

68°08′0″W

• Altitud

3650 (11 942 ft) msnm

Población • Total (2010 )

845 480 hab.

• metropolitan

2 030 422 hab.

• Densidad

4132,72 hab./km²

Gentilicio

Paceño(-a)

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5.- DATOS DEL PROYECTO PARA EL DISEÑO

INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO Bo – Bo - Bo

TIPO DE LOCOMOTORA DE DISEÑO PESO DE LA LOCOMOTORA

80 [

UBICACIÓN DEL PROYECTO

LA PAZ - BOLIVIA

RIGIDEZ DE LA VIA A DISEÑAR

7 [

ANCHO DE VIA ANGOSTA

1000 [

MODULO DE ELASTICIDAD DE LA PLAFORMA

Ep [

COEFICIENTE DE IMPACTO

i= 70%

TENSION RESIDUAL (CALIDAD DEL RIEL) CONSIDERAR TUBERIA CON DIAMETRO DISPONIBILIDAD DE MATERIAL DE CAPA

] ] ] ]

65 cm 700 – 1700 Kg/cm2

6.- DESARROLLO PRÁCTICO Dimensionamiento de la sección de riel Seleccionamos el perfil adecuado teniendo en cuenta que en América existe un perfil máximo de 90 lb/yd

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5

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RIEL SECCIONES - DIMENCIONES - PROPIEDADES TIPO

CLASIF.

ASCE ASCE ASCE ASCE ASCE ASCE ASCE ASCE Bethlehem Bethlehem Bethlehem Bethlehem

Ligero Ligero Ligero Ligero

std. std. Crane Crane Crane Crane

PESO RIEL PESO RIEL lb/yd kg/m 30 14.9 40 19.9 50 24.8 60 29.8 70 34.8 80 39.7 85 42.2 100 49.7 104 51.6 135 67 171 84.9 175 86.9

d cm 7.94 8.89 9.84 10.8 11.75 12.7 13.18 14.61 12.7 14.61 15.24 15.24

f cm 7.94 8.89 9.84 10.8 11.75 12.7 13.18 14.61 12.7 13.18 15.24 15.24

g cm 4.29 4.76 5.4 6.03 6.19 6.35 6.51 6.99 6.35 8.73 10.92 10.8

Area cm2 19.35 25.42 31.61 38.26 43.94 50.71 53.74 63.48 66.45 85.81 108.39 110.32

Ix cm4 170.65 272.22 420.39 607.7 819.98 1089.85 1252.86 1831.86 2072.83 2114.46 3055.14 2934.43

WoS cm3 41.79 58.83 83.57 108.81 134.21 165.51 181.9 239.25 175.34 283.5 401.48 383.46

Perfil asumido: 80 Lb/yd Obtenemos el modulo de vía “U”, para el cual tenemos dos formas: Aproximamos el modulo de vía despejando la ecuación de rigidez de Talbot: √

√

[

]

Dónde: K: Rigidez vertical de la Vía (Kg/cm)

=

7 (Tn/mm)

U: Modulo de Vía (Kg/cm2)

=

U

E: Modulo de elasticidad (Kg/cm2)

=

I: Momento de Inercia (cm4)

=

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6

[ 1089.85cm4

]

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√

[

[

]

] [

Redondeamos a

]

También se puede estimar el valor de u mediante tablas:

30.00

40.00

50.00

60.00

14.90

19.86

24.83

29.79

170.65 U K

272.22 U K

420.39 U K

607.70 U K

PESO DEL RIEL [lb/yd] 70.00 80.00 85.00 100.00 104.00 135.00 171.00 175.00 Peso Nominal/metro [Kg/m] 34.76 39.72 42.20 49.65 51.64 67.03 84.90 86.89 Ix 819.98 1098.85 1252.86 1831.42 2072.83 2114.46 3055.14 2934.43 U K U K U K U K U K U K U K U K

100

1.2 100

1.4 100

1.5 100

1.7 100

1.8 100

2.0 100

2.0 100

2.2 100

2.3 100

2.3 100

2.5 100

2.5

200

2.1 200

2.3 200

2.6 200

2.8 200

3.1 200

3.3 200

3.4 200

3.7 200

3.9 200

3.9 200

4.3 200

4.2

300

2.8 300

3.2 300

3.5 300

3.9 300

4.2 300

4.5 300

4.6 300

5.1 300

5.2 300

5.3 300

5.8 300

5.7

400

3.5 400

3.9 400

4.4 400

4.8 400

5.2 400

5.5 400

5.7 400

6.3 400

6.5 400

6.5 400

7.2 400

7.1

500

4.1 500

4.6 500

5.2 500

5.7 500

6.1 500

6.6 500

6.8 500

7.4 500

7.7 500

7.7 500

8.5 500

8.4

600

4.7 600

5.3 600

5.9 600

6.5 600

7.0 600

7.5 600

7.8 600

8.5 600

8.8 600

8.9 600

9.7 600

9.6

700

5.3 700

6.0 700

6.6 700

7.3 700

7.8 700

8.4 700

8.7 700

9.6 700

9.9 700

9.9 700

10.9 700

10.8

800

5.9 800

6.6 800

7.3 800

8.0 800

8.7 800

9.3 800

9.6 800

10.6 800

10.9 800

11.0 800

12.0 800

11.9

900

6.4 900

7.2 900

8.0 900

8.8 900

9.5 900

10.2 900

10.5 900

11.6 900

11.9 900

12.0 900

13.2 900

13.0

1000

6.9 1000

7.8 1000

8.7 1000

9.5 1000

10.2 1000

11.0 1000

11.4 1000

12.5 1000

12.9 1000

13.0 1000

14.2 1000

14.1

1100

7.4 1100

8.4 1100

9.3 1100

10.2 1100

11.0 1100

11.8 1100

12.2 1100

13.5 1100

13.9 1100

13.9 1100

15.3 1100

15.1

1200

7.9 1200

8.9 1200

9.9 1200

10.9 1200

11.7 1200

12.6 1200

13.1 1200

14.4 1200

14.8 1200

14.9 1200

16.3 1200

16.2

1300

8.4 1300

9.5 1300

10.6 1300

11.6 1300

12.5 1300

13.4 1300

13.9 1300

15.2 1300

15.7 1300

15.8 1300

17.3 1300

17.2

1400

8.9 1400

10.0 1400

11.2 1400

12.2 1400

13.2 1400

14.2 1400

14.7 1400

16.1 1400

16.6 1400

16.7 1400

18.3 1400

18.1

1500

9.4 1500

10.5 1500

11.8 1500

12.9 1500

13.9 1500

14.9 1500

15.4 1500

17.0 1500

17.5 1500

17.6 1500

19.3 1500

19.1

Entonces interpolamos para el valor de k de 7 [Tn/mm] Univ. Castellon Aguilar Mauricio Agustin

7

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Si

:

Entonces

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500 X 600

6.6 7.0 7.5

:

[

]

[ ] se considera para el diseño Redondeamos a Para verificar igualamos a la ecuación:

 i   t   f   adm

Tensión interna residual

[

]

La tensión interna residual [ ] es el dato que se adopta según la calidad de riel, estando este entre 5 y 10 [

El valor asumido por dato es de: Tensión por temperatura

[

]

] [

]

Asumimos las temperaturas obtenidas de la table de Wikipedia

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Utilizamos La temperatura Anual para el cálculo:

[ [

] ]

Tensión por flexión o del patín.-

Dónde:

M = Momento flector máximo (Asumimos el menor momento calculado por las hipótesis) W = Modulo resistente del perfil (Tabla adjunta Secciones de riel) Ci= Coeficiente de impacto (Dato Ci=1.70)

 f = Tensión por flexión Calculo de momentos: Para el cálculo de momentos necesitamos las dimensiones de la durmiente, las cuales vienen normadas y serán explicadas más adelante. Considerando el tipo de locomotora tenemos la siguiente tabla:

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Donde tenemos como dato una locomotora Bo – Bo – Bo para lo cual utilizamos la fórmula de “Q”

[

]

Asumimos el Valor de k:

Fuente: http://asesoramentotecnico.coag.es/wp-content/uploads/2008/07/fe03.pdf

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Como dato tenemos una Arcilla Media la cual asemejamos a una Arcilla Seca de la cual obtenemos una rango de valores entre 6 – 9 y utilizamos en promedio un valor de: [

]

Datos para Hallar los momentos:

Datos y consideraciones MOTOR Bo-Bo-Bo (Tn) ANCHO DE TROCHA(mm)= SEPARACION d(cm)= l(cm) s(cm) PESO DE RIEL(lb/yd)

Q(kg)= b(cm)= k(kg/cm3)= x1(cm)= x2(cm)= E(kg/cm2)= I(cm4)= x0(cm) U(kg/cm2) Impacto(ci)

78 1000 60 200 106.35 80

7750 24 7.5 220 290 2.10E+06 1098.85 0 545 1.7

Método de Zimermann:

√(

)

L =84.62 cm

*

+

* [

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+ ]

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[

]

[

]

Método de Talbot:

√(

)

L =64.15 cm

√

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*

12

+

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√

*

+

[

]

[

]

[

]

Teoría de Timoshenko:

L

√

L =75.71 cm

√

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* *

+

13

+

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√

*

*

+ [

+

]

[

]

[

]

Teoría de Sallor Hunkev

√ L = 75.71

√

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*

14

+

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√

* [

]

[

]

[

]

+

[ ], debido a que Utilizamos el Momento es el menor momento aplicable pero que es un dato seguro al ser hallado por un método confiable.

Entonces tenemos:

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[

]

Por lo tanto verificamos la ecuación:

 i   t   f   adm

VERIFICA!!!!!!!!!!

Dimensionamiento del Durmiente.-

Figura. Vista general de durmientes

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Figura. Corte trasversal durmiente – riel El diagrama de esfuerzos se debe cumplir para un:

Para lo cual requerimos los siguientes datos:    

K = Coeficiente de reacción del suelo (Coeficiente de Balasto) b, l = Ancho y lardo del durmiente d = Separación de durmiente a durmiente S = Ancho de la trocha de la vía

Coeficiente de Balasto: El coeficiente de Balasto fue anteriormente hallado con ayuda de la tabla obtenida de: http://asesoramentotecnico.coag.es/wp-content/uploads/2008/07/fe03.pdf

[

]

Dimenciones del Durmiente.Con los datos de proyecto y la ayuda de la adscripción utilizamos los datos:

DESCRIPCIÓNDELAVIADERREA

T TROCHA DE (m) LA VIA Angosta

1

Media Ancha

a (cm)

S (cm)

6.35

106.4

SECCIÓNDURMIENTE b h l (cm) (cm) (cm) 24

12

200

1.44

30

15

250

1.68

36

18

270

Añadimos una separación de durmiente de considerando una vía relativamente liviana asumimos primeramente un valor de 60 cm (este valor será modificado en caso de no cumplirse el esfuerzo) Univ. Castellon Aguilar Mauricio Agustin

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Figuras. Vista en planta de la separación de durmiente a durmiente Calculo de la fuerza vertical Partimos de la ecuación:

Donde:

Utilizamos los valores de x y L de la metodología de Talbot debido a que de ese método sacamos el momento maximo

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

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VERIFICA!!!!!!!!!!

Ahora sabemos que:

Donde: f = 12.7 cm (propiedad del perfil en tabla anexada) b= 24cm (por tipo de durmiente también en tabla anexada)

VERIFICA!!!!!!!!!!

Diseño a flexión.-

  ( Kg / cm 2 )   adm  135Kg / cm 2 Donde:

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VERIFICA!!!!!!!!!!

Dimensionamiento de la altura de balasto En el diseño de la base de una vía férrea los esfuerzos y deformaciones depende de la relación de los módulos de elasticidad de la subrasante y de la

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capa base

Relación modular

El Eb se considera en el rango de ( 700 Kg/cm2 - 1700 Kg/cm2 ) Dato proporcionado se asume considerando material de buena calidad chancado de un banco de préstamo un dé Eb=1700Kg/cm2 El Ep se considera de acuerdo a las condiciones de la subrasante en este caso Arcilla media material predominante en la zona de emplazamiento de la tabla siguiente se considera:

Un valor de Arcilla areno limosa media : 500 – 2000 del cual optamos 1500tn/m2 = 150kg/cm2 Univ. Castellon Aguilar Mauricio Agustin

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Asumimos una altura hb máxima de hb = 120 cm Y un C de radio de placa estándar c = 15.22 cm

Con estos datos entramos al abaco de Odemark

Con los valores hallamos un F = 0.12 Asentamiento admisible

=0.928 Asentamiento real producido por:

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NO VERIFICA!!!!!!!!!!

Los datos de una Arcilla Media con una rigidez vertical de 7tn/mm son incoherentes y no nos dan un acercamiento óptimo a la verificación, sin embargo la falla se encuentra en los datos del proyecto, para solucionarlo se podría mezclar el balasto con cemento para una mayor resistencia, o aumentar a más del máximo la altura del balasto. Sin embargo al ser un proyecto académico continuamos con las siguientes verificaciones.

ABACO DE ODEMARK

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h/c Aplicando los principios de la teoría de fox √

Tenemos:

√

(

Seguidamente hallamos:

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)

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Despejamos para igualar

(

(

)

)

VERIFICA!!!!!!!!!!

Finalmente Ingresamos al Abaco de fox con h= 120cm

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Ep/Ed = 11.3 Lo que en el Abaco nos da un valor de 0.035

(

)

VERIFICA!!!!!!!!!!

Dimencionamieto de una obra hidráulica Se quiere que se atraviese perpendicularmente al eje de riel tubería de plástico de un diámetro de que se ubicara a 35cm de la sub rasante. Para tal caso se calcula la variación de la presión que genera una carga puntual P en este caso la carga mencionada es igual a Q (Peso por rueda de la locomotora), de acuerdo a Boussinesq el incremento de esfuerzos a cualquier profundidad se calcula con la siguiente relación:

[( )

{

]

}

Dónde: Q = P = 6500 Kg (Carga puntual por rueda de la locomotora) Univ. Castellon Aguilar Mauricio Agustin

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Z = 120 + 35 cm (Profundidad de la subrasante a la tubería) r = 30 cm (Distancia horizontal del punto de aplicación de Q a la tubería)

Reemplazando los valores:

[(

{

)

]

}

Resolviendo la ecuación: = 0.122 Kg/cm2

Figura. Vista transversal de la tubería La resistencia de esfuerzos http://www.tuberiadepvc.mx/

de

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la

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tubería

pvc

según

la

fuente:

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Tuberia de PVC hasta 235 psi de esfuerzo y desde ½ hasta 48 pulgadas de diámetro ideales para el transporte de agua potable y sistemas de irrigación para aplicaciones de agricultura y campos de golf. Sistema de unión con campana y anillo conforme a la norma ASTM F477 y ASTM D3139. 235psi = 16.7kg/cm2 Lo cual se refiere a un incremento de menos del 0.8% la tubería no debería tener problemas por el esfuerzo de la locomotora.

7.- PRESENTACION DE RESULTADOS Resumen de Resultados finales RIEL

Características del riel:

= 80 Lb/Yd

I = 1098.85 cm4 W = 165.51 cm3

DURMIENTE: Ancho b = 24 cm Largo l = 200 cm Univ. Castellon Aguilar Mauricio Agustin

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Alto

h = 12 cm

Material = Madera

Coeficiente de balasto

k = 7.5 Kg/cm2

Distancia entre durmientes

d = 60 cm

Módulo de Vía

U = 545 Kg/cm2

Rigidez

K = 7 Tn/mm

Altura de balasto

= 120 cm

Módulo de elasticidad del balasto

Eb = 1700 Kg/cm2

Módulo de elasticidad de la plataforma

Ep = 150 Kg/cm2

Resumen de Resultados Secundarios [

Momento Máximo en el riel

Longitud de la elástica

L = 64.15 cm

Cortante en el durmiente

V = 4634.28 Kg

Peso por rueda de la locomotora

Q = 6500 Kg

Asiento máximo

Yo = 1.55 mm

Asiendo real generado por

So = 1.53 mm

Tubería de plástico “PVC” 8.- ANALISIS DE RESULTADOS

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]

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En cuanto a los resultados obtenidos se puede observar que los resultados son coherentes para los datos y condiciones proporcionados por el docente de la asignatura, con la excepción de la verificación del Balasto, donde en el ábaco de ODEMARK los datos no son los correctos para cumplir con la verificación correspondiente, pero que por ser un proyecto académico se continúo con el cálculo. 9.- CONCLUSIONES La elaboración académica de un proyecto de diseño de vía férrea completo nos permite poder desenvolvernos en un futuro como profesionales teniendo todos los conceptos claros sobre los cálculos conceptos y consideraciones a tomar el momento de diseñar una vía en condiciones reales. 10.- RECOMENDACIONES    

Manejar correctamente los conceptos teóricos Manejar correctamente las ecuaciones para los cálculos prácticos Apoyarse en programas de calculo para mayor precisión como se excele, mathcad, programas de diseño de rieles, etc Revisar manejar correctamente los datos obtenidos de laboratorios

11.- BIBLIOGRAFIA  Texto guía de la materia VIAS FERREAS ( Adscripción)  www.wikipedia.com/ 

www.monografías.com/Vias/

 http://www.tuberiadepvc.mx/  http://asesoramentotecnico.coag.es/wp- content/uploads/2008/07/fe03.pdf

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PROYECTO VIAS FERREAS

Semestre 2-2012

INDICE

1.-

INTRODUCCION Y GENERALIDADES...............................................................1

2.-

OBJETIVOS.- .....................................................................................................2

Objetivo General.- .....................................................................................................2 Objetivos específicos.-...............................................................................................2 3.-

MARCO TEORICO: ............................................................................................2

Definición de una vía férrea ......................................................................................2 Clasificación .............................................................................................................2 Líneas principales y secundarias ..............................................................................2 Líneas de vía angosta y ancha ..................................................................................3 4.-

DATOS GENERALES DEL PROYECTO ..............................................................3

Localización del proyecto ..........................................................................................3 5.-

DATOS DEL PROYECTO PARA EL DISEÑO ......................................................5

6.-

DESARROLLO PRÁCTICO .................................................................................5

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PROYECTO VIAS FERREAS

Semestre 2-2012

Dimensionamiento de la sección de riel ....................................................................5 Dimensionamiento del Durmiente.- ........................................................................16 Dimensionamiento de la altura de balasto .............................................................. 20 Dimencionamieto de una obra hidráulica ............................................................... 26 7.-

PRESENTACION DE RESULTADOS ................................................................ 28

Resumen de Resultados finales .............................................................................. 28 Resumen de Resultados Secundarios .....................................................................29 8.-

ANALISIS DE RESULTADOS ...........................................................................29

9.-

CONCLUSIONES .............................................................................................. 30

10.- RECOMENDACIONES...................................................................................... 30 11.- BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 30

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