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1 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural CONDICIÓN ACTUAL DE LOS PUENTES FERROVIARIOS EN EL PAÍS Hugo Hernández Barrios 1 , Franco A. Ladislao Sánchez 2 y Carlos Arce León 3 RESUMEN La infraestructura de un país es un factor determinante para su crecimiento y desarrollo económico. La secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT), a través de lo expresado en el Programa Nacional de Infraestructura 2014-2018, tiene el objetivo de ampliar la conectividad integral entre los diferentes sistemas de transportes para lo cual tiene planeado nuevos proyectos ferroviarios además de dar mantenimiento a las líneas existentes. La evaluación estructural de los puentes para ferrocarril es de vital importancia. En este trabajo se hace una revisión crítica del estado estructural que actualmente tienen los puentes para ferrocarril en México. ABSTRACT Infrastructure is, in any country, a determining factor for growth and economic development. The Ministry of Communications and Transportation (SCT), through what is expressed in its National Infrastructure Program 2014-2018, whose main objective is the expansion of connectivity and intercommunication between different transport systems. Within this category, for the railway system are planned new projects are developed and, additionally, conservation and maintenance activities of existing lines. One of the fundamental elements within the railway system are the bridges. So the structural assessment of existing bridges is a task that requires special attention. This paper presents a critical review of the structural state that currently have the railroad bridges in Mexico. INTRODUCCIÓN Los ferrocarriles es uno de los sistemas de transporte utilizado en todo el mundo para mover grandes volúmenes de carga en distancias considerablemente largas. En México este sistema de transporte tuvo su mayor auge durante el Porfiriato en el cual el Presidente Porfirio Díaz implanto el ferrocarril, conectando los principales polos económicos en esa época: México, Veracruz, Puebla y algunas ciudades fronterizas. Para lograr lo anterior se dieron concesiones a empresas extranjeras, y que posteriormente en el sexenio de Lázaro Cárdenas fuera nacionalizada esta industria. El desarrollo del ferrocarril en los años subsecuentes fue lento y su crecimiento fue realmente de poco impacto. Uno de los problemas que ha tenido este modo de transporte es que las velocidades promedio del ferrocarril era muy bajas comparadas con las de autotransportes federales, además de que con el aumento y la necesidad de transporta un mayor número de carga se requería potencializar la capacidad de arrastre de las locomotoras lo cual sugería una gran inversión en la actualización de estos equipos. A finales del siglo pasado Ferrocarriles 1 Profesor Investigador Tiempo Completo, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán. Edificio de posgrado en Ingeniería Civil, Ciudad Universitaria, Morelia, Michoacán. [email protected] 2 Estudiante de la Maestría en Infraestructura del Transporte, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH. 3 Facultad de Estudios Superiores Acatlán, UNAM, Unidad de Investigación Multidisciplinaria, Alcanfores y San Juan Totoltepec, Santa Cruz Acatlán, Naucalpan, 53150, Estado de México, [email protected]

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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

CONDICIÓN ACTUAL DE LOS PUENTES FERROVIARIOS EN EL PAÍS

Hugo Hernández Barrios1, Franco A. Ladislao Sánchez 2 y Carlos Arce León3

RESUMEN

La infraestructura de un país es un factor determinante para su crecimiento y desarrollo económico. La secretaria

de Comunicaciones y Transportes (SCT), a través de lo expresado en el Programa Nacional de Infraestructura

2014-2018, tiene el objetivo de ampliar la conectividad integral entre los diferentes sistemas de transportes para

lo cual tiene planeado nuevos proyectos ferroviarios además de dar mantenimiento a las líneas existentes. La

evaluación estructural de los puentes para ferrocarril es de vital importancia. En este trabajo se hace una revisión

crítica del estado estructural que actualmente tienen los puentes para ferrocarril en México.

ABSTRACT

Infrastructure is, in any country, a determining factor for growth and economic development. The Ministry of

Communications and Transportation (SCT), through what is expressed in its National Infrastructure Program

2014-2018, whose main objective is the expansion of connectivity and intercommunication between different

transport systems. Within this category, for the railway system are planned new projects are developed and,

additionally, conservation and maintenance activities of existing lines. One of the fundamental elements within

the railway system are the bridges. So the structural assessment of existing bridges is a task that requires special

attention. This paper presents a critical review of the structural state that currently have the railroad bridges in

Mexico.

INTRODUCCIÓN

Los ferrocarriles es uno de los sistemas de transporte utilizado en todo el mundo para mover grandes volúmenes

de carga en distancias considerablemente largas. En México este sistema de transporte tuvo su mayor auge

durante el Porfiriato en el cual el Presidente Porfirio Díaz implanto el ferrocarril, conectando los principales

polos económicos en esa época: México, Veracruz, Puebla y algunas ciudades fronterizas. Para lograr lo anterior

se dieron concesiones a empresas extranjeras, y que posteriormente en el sexenio de Lázaro Cárdenas fuera

nacionalizada esta industria. El desarrollo del ferrocarril en los años subsecuentes fue lento y su crecimiento

fue realmente de poco impacto.

Uno de los problemas que ha tenido este modo de transporte es que las velocidades promedio del ferrocarril era

muy bajas comparadas con las de autotransportes federales, además de que con el aumento y la necesidad de

transporta un mayor número de carga se requería potencializar la capacidad de arrastre de las locomotoras lo

cual sugería una gran inversión en la actualización de estos equipos. A finales del siglo pasado Ferrocarriles

1 Profesor Investigador Tiempo Completo, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia,

Michoacán. Edificio de posgrado en Ingeniería Civil, Ciudad Universitaria, Morelia, Michoacán.

[email protected]

2 Estudiante de la Maestría en Infraestructura del Transporte, Universidad Michoacana de San Nicolás de

Hidalgo, UMSNH.

3 Facultad de Estudios Superiores Acatlán, UNAM, Unidad de Investigación Multidisciplinaria, Alcanfores y

San Juan Totoltepec, Santa Cruz Acatlán, Naucalpan, 53150, Estado de México,

[email protected]

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Nacionales fue privatizado ya que por el descuido de la red ferroviaria y la falta de mantenimiento, el costo de

operación era insostenible y poco rentable para el gobierno. Actualmente las empresas beneficiadas y que

operan la red federal son: Ferromex, Kansas City Southern de México, Ferrosur, Terminal y Ferrocarril del

Valle de México, Línea Coahuila-Durango, el Ferrocarril del Istmo y el Ferrocarril CZRY (Tijuana-Tecate).

Con la privatización de Ferrocarriles Nacionales de México, se formaron varios ferrocarriles de carga que

operan en el territorio nacional, tres con conexión con los ferrocarriles de EUA y uno con la frontera de

Guatemala. Adicionalmente, existe un ferrocarril suburbano en la Ciudad de México y dos ferrocarriles

turísticos: el Chihuahua al Pacífico, conocido como el CH-P, y el Tequila Express. También están en la

Asociación, el Metro y el Tren Ligero de la Ciudad de México, y los trenes eléctricos de Monterrey y

Guadalajara.

INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA

Actualmente la infraestructura ferroviaria cuenta con 26,727 km de vías, de las cuales 20,722 km forman parte

de la red troncal y sus ramales, que en su gran mayoría se encuentran concesionadas. 4,500 km pertenecen a

vías secundarias y solo 1,555 km pertenecen a particulares (Figura 1).

Vías del sistema ferroviario: 26,727 km

Principales (troncales y ramales)

20,722 km (77.5%)

Secundarias (patios y laderos)4,450 km (16.6%)

Particulares

1,555 km (5.8%)

Concesionada17,799 km (66.6%)

Ferromex8,439 km (31.6%)

KCSM4,283 km (16.0%)

Ferrosur1,954 km (7.3%)

Chiapas-Mayab1,558 km (5.8%)

Otros1,564 km (5.9%)

Fuera de operación2,923 km (10.9%)

Coahuila-DurangoFerrocarril y terminal del valle de México (FTVM)Ferrocarril del Istmo de Tehuantepec (FIT)Tijuana-Tecate

Figura 1 Distribución de la red ferroviaria (2013)

En el año 2014 la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económicos (OCDE) dictaminó que el

desempeño del servicio ferroviario en México ha mejorado considerablemente desde el año 1995, en relación a

la calidad de gestión, material rodante, productividad de capital y de trabajo, así como el aumento de niveles de

tráfico y cuotas en el mercado. A pesar de disponer de capacidad para una velocidad de al menos 50 km/h, la

velocidad ponderada del sistema ferroviario de carga se reduce a 28 km/h debido, en parte, a la falta de

libramientos en algunas zonas urbanas. Otro punto a considerar es que la red no permite operar trenes de doble

estiba en corredores clave como San Luis Potosí-Altamira.

Otro problema es que la infraestructura ferroviaria no ha sido complementada con una buena señalización, lo

que ha contribuido a que hayan crecido los accidentes en un 83% desde el 2007. Además, los diversos

fenómenos naturales afectan las vías, particularmente en la zona Sur-Sureste, por lo que resulta imperativo

invertir en su reparación y mantenimiento, tanto para mejorar su conectividad como para mitigar diversos

problemas sociales asociados con el lento paso de los trenes por esta región. En el año 2012 el autotransporte

federal movía el 55% de la carga en el país, seguido por la vía marítima en un 34% y finalmente el ferrocarril

movía el 11 %.

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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

La Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT), a través de lo expresado en el Programa Nacional de

Infraestructura 2014-2018, tiene el objetivo de ampliar la conectividad integral entre los diferentes sistemas de

transportes para lograr mayores niveles de productividad, competitividad y crecimiento económico.

El sistema de gestión de conservación de puentes utilizado por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes,

SCT, conocido como SIPUMEX, establece un procedimiento subjetivo para la evaluación de las características

físicas de los puentes que se ubican o cruzan el sistema carretero libre de peaje, el objetivo es calificar el estado

de daño de cada puente, otorgándole una calificación entre 0 y 5, según sea el daño que presenten. En la Figura

2 se muestra la distribución de puentes ferroviarios contempla el SIPUMEX por estado de la República

Mexicana. Cabe aclarar que no son todos los puentes que existen para tal fin, sino los que reporta el SIPUMEX,

ya que como la mayaría de los líneas están concesionadas no es posible acceder a la base de datos de los mimos,

si es que existe.

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Estadios de la República Mexicana

Figura 2 Número de puentes ferroviarios por estado de la República Mexicana.

En la Figura 2 se muestra que el estado de Michoacán es el que mayor número de puentes de ferrocarril tiene

registrados en el SIPUMEX, con 16. El estado físico que estos tienen, según su calificación es con daño menor,

es decir, nivel 3.

Sector ferroviario según el Plan Nacional de Desarrollo, 20014-2018

La Secretaría de Comunicaciones y Transportes debe cumplir con una alineación estratégica al Plan Nacional

de Desarrollo 2013-2018 (PND) y del Programa Sectorial de Comunicaciones y Transportes, en resumen deben

cumplir con la Meta Nacional IV, denominada: “México Prospero”. Para hacer cumplir el objetivo se plantean

3 estrategias y 11 líneas de acción las cuales cubren las prioridades y necesidades plasmadas en el PND. Las

tres estrategias son:

1) México como un Plataforma Logística Global: se mejorará la conectividad que tiene la red ferroviaria

de carga dentro de los puertos para incrementar la capacidad de traslado desde y hacia los puertos.

2) México con una Movilidad de Pasajeros moderna: se satisfará la necesidad de aliviar las altas

densidades de tránsito entre las urbes, para esto se propone retomar el transporte ferroviario para así

fomentar un sistema de transporte de masas que sea seguro, rápido.

3) Estrategia transversal sur-sureste: mejorar la infraestructura del Sur-Sureste para acercar a las

comunidades más alejadas, mejorar el acceso a los mercados, promover el acceso a mejores servicios

y agilizar el traslado de las mercancías por la región.

4) México con Acceso Universal a la Banda Ancha

1) México como un Plataforma Logística Global

El objetivo en materia de ferrocarriles es: construir libramientos ferroviarios que incrementen la eficiencia del

tren de carga. Como resultado de la estrategia se realizaran los proyectos de inversión (Figura 3):

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1) Mantenimiento de líneas ferroviarias Chiapas–Mayab

2) Construcción del libramiento ferroviario de Celaya

3) Inicio de los trabajos tramo corto del ferrocarril Aguascalientes-Guadalajara

Figura 3 Proyectos a desarrollar según la estrategia 1 del PND 2013-2018

2) México con una Movilidad de Pasajeros moderna

El objetivo en materia de ferrocarriles es retomar el trasporte ferroviario de pasajeros con la construcción de

trenes interurbanos (México-Toluca, México–Querétaro y Transpeninsular) para elevar la calidad de vida de la

población. Contar con sistemas de transporte urbano sustentable en 47% de las zonas metropolitanas del país.

En el mediano y largo plazo, se seguirá impulsando el transporte interurbano de pasajeros a través de la

construcción de trenes que conecten las ciudades con la capital del país. Además, se seguirá promoviendo que

las principales zonas metropolitanas tengan un transporte urbano rápido, eficaz y sustentable que conecte con

la red nacional de transporte ferroviario interurbano de manera eficiente. Como resultado de la estrategia se

realizaran los proyectos de inversión (Figura 4):

1) Apoyar el proyecto de Tren rápido Querétaro–Cd. de México

2) Construir el Tren Interurbano México–Toluca Primera Etapa

3) Construcción del Tren Transpeninsular (primera etapa)

4) Ampliación del Sistema del Tren Eléctrico Urbano en la zona Metropolitana de Guadalajara

5) Establecer un sistema de Transporte Masivo en el Oriente del Estado de México

6) Construcción junto con el Gobierno Estatal de la Línea 3 y elaboración del proyecto de la Línea 4 así

como apoyo a los proyectos de Eco vía en Monterrey

7) Modernizar el transporte público urbano de la región Lagunera

8) Establecer junto con el gobierno Estatal un sistema de transporte articulado BRT en la ciudad de

Tijuana

Figura 4 Proyectos a desarrollar según la estrategia 2 del PND 2013-2018

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3) Estrategia transversal sur-sureste

Los Proyectos de inversión que se realizarán resultado de la estrategia transversal Sur-Sureste (Figura 5) son:

la modernización ferrocarril Chiapas-Mayab, libramiento Coatzacoalcos y Transpeninsular.

Figura 5 Proyectos a desarrollar en la región Sur-Sureste

INSPECCIÓN FÍSICA

Como se muestra en la Figura 2, en Michoacán existen 12 puentes ferroviarios que son calificados por el sistema

SIPUMEX, algunos de ellos sin de difícil acceso. En este trabajo se inspeccionaron 5 puentes. En la Figura 6

se muestra la ubicación de tres de ellos ubicados en la zona de Infiernillo, Michoacán.

Figura 6 Ubicación de algunos puentes de ferrocarril, ubicados en Michoacán

En la Figura 7 se muestra el puente de ferrocarril en el cual los estribos se encuentran fracturados, debido a una

falla por cortante. Los durmientes que pasan son de concreto y se encuentran con daño debido a flexión y mala

distribución del balasto. Los drenes se encuentran sucios por lo que la humedad ha generado corrosión

superficial en el acero de refuerzo del tablero.

PILOTES O PILAS DEL PUENTE

PILOTES O PILAS DEL PUENTE

TORRE CFE

BRECHA

VIA FERROVIARIA

ESCURRIMIENTO

BRECHA

AUTOPISTA

BRECHA

ESCURRIMIENTO

PILOTES O PILAS DEL PUENTE

PILOTES O PILAS DEL PUENTE

AUTOPISTA

VIA FERROVIARIA

ESCURRIMIENTO

OBRA DE DRENAJE

AUTOPISTA

VIA FERROVIARIA

ESCURRIMIENTO

OBRA DE DRENAJE

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Figura 7 Puente de ferrocarril, evaluado en este trabajo

En la Figura 8 se muestra el puente de ferrocarril ubicado en la zona de Infiernillo, el puente es de concreto

reforzado y tiene una altura de 35m, con tres claros continuos. Como puede verse en la Figura 8, existen dos

tipos de durmientes en el puente, en uno de los claros son de madera y en otros de concreto, eso produce un

impacto diferente de la carga sobre el tablero. Las juntas no se encuentran en buen estado, razón por la que en

algunas zonas los rieles se encuentren con deformaciones visiblemente grandes. Por otro lado, algunos de los

durmientes de concreto se encuentran rotos o con daño visible, lo que produce cargas de impacto mayores sobre

el tablero del puente.

Figura 8 Puentes de ferrocarril, Infiernillo

Otros de los problemas comúnmente encontrados es la falta de mantenimiento, ya que los barandales se

encuentran con corrosión y sueltos (Figura 9).

Figura 9 Daño en puente ferroviario

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En la Figura 10 se muestra un puente de ferrocarril ubicado en el km 35+700, de la línea Lázaro Cárdenas, el

puente no presenta daño estructural visible.

Los puentes para ferrocarril debido a al años en que fueron construidos no presentan topes sísmicos.

Figura 10 Puente de ferrocarril, ubicado en el km 35+700

CARACTERÍSTICAS DE ALGUNOS PUENTES FÉRREOS

En esta sección se hace una revisión simple de algunos puentes para ferrocarril que pertenecen a los nuevos

proyectos de ferrocarril descritos en la sección anterior, con el fin de identificar el procedimiento de diseño y

las hipótesis que se emplearon en su realización.

VIADUCTO FÉRREO GUANAJUATO

La estructura está formada por 10 tramos simplemente apoyados con claros variables que van desde los 9.43m

hasta los 35m cuya superestructura está conformada por 9 trabes armadas de acero estructural de 2.20m de

peralte (Figura 11) a excepción de los tramos 2-3 y 4-5 con trabes armadas con un peralte de 1.50m, las cuales

trabajan en colaboración con una losa plana de concreto reforzado, con guarniciones de 0.40 cm y un ancho de

calzada de 15.40m, el cual aloja 2 vías de ferrocarril y un carril para el paso de vehículos, para un ancho total

de superestructura 16.20m. Para los tramos 2-3 y 4-5, las trabes tiene un peralte total de 1.50m cuyo patín

superior e inferior son de placa de acero estructural con ancho de 65mm con espesor de 19.1mm y la placa del

alma de 1461.8mm de altura con 19.1mm de espesor. Para aumentar su resistencia cortante se consideraron

atiesadores transversales de placa de 1461.8 x 20 mm con espesor de 1.91mm. La Subestructura está

conformada por esta conformada por 2 caballetes extremos y 9 pilas intermedias de concreto reforzado.

La configuración típica de los caballetes extremos de concreto reforzado, es un cabezal de sección rectangular

con diafragma de respaldo y columnas de 1.20m de diámetro desplantadas sobre una zapata de concreto

reforzado de sección rectangular para trabajar como cimentación superficial. Las Pilas intermedias están

conformadas por un cabezal de sección rectangular cuyo cabezal se modifica en elevación en la parte superior

en algunos casos para absorber la diferencia de altura de la superestructura, trabajando en conjunto con 5

columnas de 1.20m de diámetro las cuales están desplantadas sobre una zapata de concreto reforzado para

trabajar como cimentación superficial. La carga viva de proyecto es la locomotora Cooper E-80.

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Cruce con carretera 45 cuota Cruce con carretera 45 libre

Corte longitudinal, pila 7 Corte transversal, pila 7

Corte transversal Claro 2 y 4

Figura 11 Configuración geométrica del viaducto férreo Guanajuato

En el proyecto se utilizaron las normas españolas, en el estudio de interacción se aplicó una carga

uniformemente distribuida de 80 kN/m (8.15 t/m) en una longitud total de 300 m. Por otro lado, en la SCT, se

propone aplicar un tren de cargas, en una longitud aproximada de 31 m, compuesta por cargas puntuales que

varían de 18.144 t a 36.287 t separadas 1.52 m aproximadamente, el resto de la carga fuera de la locomotora

propone aplicar una carga distribuida de 1.11 t/m. Por tal motivo, se hizo una simulación empleando el tren de

cargas Cooper E-80, sin afectar los factores de carga.

PASO INFERIOR DE FERROCARRIL KM 7+243.30

La estructura está formada por un tramo simplemente apoyado con claro de 28.10m cuya superestructura está

conformada por 2 trabes tipo Nebraska postensadas o sección NU (Figura 12) que trabajan en colaboración con

una losa prefabricada presforzada, con guarniciones de 0.40m y ancho de calzada de 6.64m para un ancho total

de superestructura de 7.44m. La subestructura está formada por 2 caballetes extremos de concreto reforzado

con diafragma de respaldo y columnas 1.50m de diámetro las cuales se prolongan por debajo del terreno natural

para trabajar como pilas de cimentación, la carga viva de diseño es la locomotora Cooper E-80.

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ESC.1:20(AL CENTRO DEL CLARO)

SECCION AL CENTRO DEL CLARO

ELEVACION CABALLETE No.1 GEOMETRIA

Figura 12 Configuración geométrica, paso inferior de ferrocarril, km 7+243.30

PASO INFERIOR DE FERROCARRIL KM 86+802

La estructura está formada por tres tramos simplemente apoyados con claros de 13.15m y dos claros de 26.00m

respectivamente Figura 13, cuya superestructura está conformada por 2 trabes AASHTO tipo VI modificadas

que trabajan en colaboración con una losa plana de 0.40m de espesor de concreto reforzado, con guarniciones

de 0.40m y un ancho de calzada de 6.64m para un ancho total de superestructura 7.44m (Figura 13). Como

resultado del diseño las trabes para el tramo 0-1 son de concreto reforzado ya que el claro es pequeño, mientras

que para los claros 1-2 y 2-3 se utilizan trabes de concreto presforzado con 60 torones de presfuerzo de 1.58 cm

de diámetro. El apoyo extremo del acceso de entrada, corresponde a un estribo de concreto reforzado con corona

de sección rectangular con aleros en U y un diafragma de respaldo con ménsula que soporta una losa de acceso.

El estribo está apoyado directamente sobre el terreno natural para trabajar como cimentación superficial.

Mientras que en el acceso de salida el apoyo está constituido por un caballete formado un diafragma de respaldo

y dos pilas de cimentación de 1.50m de diámetro que se prolongan por debajo del terreno natural para trabajar

como cimentación profunda. La configuración de las pilas intermedias no. 1 y 2 será por medio de dos pilas de

cimentación de 1.50m de diámetro que se prolongan por debajo del terreno natural para trabajar con pilas de

cimentación, para el caso específico de la pila no.2 sus pilas de cimentación trabajan como columnas por encima

del nivel de terreno natural y de esté nivel al desplante como cimentación profunda. La carga de diseño que se

utilizó en este proyecto es la Cooper E-80. El puente no cuenta con topes sísmicos.

ELEVACION SOBRE EJE DE PUENTE

A VERACRUZ

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SECCION TRANSVERSAL

Figura 13 Datos geométricos del paso inferior de ferrocarril, km 86+802

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PUENTE “RIO LAJA III”

El proyecto de la estructura del puente se encuentra en tangente y presenta un esviaje derecho de 25°. Está

constituido por 2 cuerpos, de los cuales uno se construirá a futuro, cada cuerpo está formado por tres tramos

simplemente apoyados con claros extremos de 21.00m y un claro central de 30.00m (Figura 14), su

superestructura está conformada por 3 trabes para los tramos extremos y para el tramo central 4 trabes AASHTO

tipo VI de concreto reforzado, trabajando en colaboración con una losa plana de 0.25m de espesor de concreto

reforzado. Los cuerpos tienen un ancho de 4.90 los cuales alojarán una vía de ferrocarril cada uno y estarán

separados a una distancia de 0.10m para un ancho total de superestructura 9.90m.

1 2 3 4

CORTE ELEVACIÓN POR EL EJE DE TRAZOESC.1:200ESC.1:200

SECCIÓN TRANSVERSAL ESC.1:50CORTE A - A

CUERPO A CONSTRUIR A FUTURO

Figura 14 Datos geométrico, puente Río Laja III

Las trabes AASHTO tipo VI, de los tramos extremos tienen un presfuerzo de 39 torones de 12.7mm de diámetro,

mientras que para el claro central se obtuvieron 79 torones del diámetro. La subestructura está formada por 2

caballetes extremos de concreto reforzado con cabezal de sección rectangular y aleros en U, diafragma de

respaldo con una ménsula que soporta una losa de acceso, y pilas de cimentación que se prolongan por debajo

del terreno natural para trabajar como pilas de cimentación. Las pilas intermedias de concreto reforzado están

conformadas por cabezal de sección rectangular soportado por una columna de oblonga que están desplantada

en una zapata, ésta a su vez trabaja en colaboración ocho pilas de cimentación para así trabajar como

cimentación profunda. La carga de proyecto es la Cooper E-80. El puente no cuenta con topes sísmicos.

CRUCERO INFERIOR VIAL KM 4+471.39

La estructura está formada por un tramo simplemente apoyado con claro de 8.20m cuya superestructura está

conformada por 31 trabes armadas de acero estructural trabajando en colaboración con una losa plana de

concreto reforzado de 0.25m de espesor, con guarniciones de 0.25m y un ancho de calzada de 29.62m que aloja

el paso de 5 vías de ferrocarril, para un ancho total de 30.12 m (Figura 15).

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Figura 15 Crucero Inferior vial km 4+471.39

Para el tablero metálico se utilizaron vigas de acero estructural grado 36, cuyas dimensiones de las vigas

principales son de 0.686 m x 0.356m y un peso por metro de 254kg/m, para proporcionarle soporte lateral a las

vigas principales se colocaron vigas secundarias que trabajaran como piezas de puente, con dimensiones de

0.203m x 0.006m y un por metro de 31.2kg/m. Adicionalmente se colocara un contraventeo formado por un

ángulos de lados iguales de 0.101 m x 0.101m y espesor de 0.006m. La subestructura está conformada por 2

estribos de mampostería, la corona cuenta con respaldo, el cuerpo y muros de concreto ciclópeo están

desplantados sobre una zapata para así trabajar como cimentación superficial. La carga de proyecto es la Cooper

E-80.

CRUCERO INFERIOR VEHICULAR LÍNEA “A” 357+085.962

La estructura del cruce de ferrocarril surge de la necesidad de la construcción de un paso a desnivel (deprimido)

para lo cual se propone una estructuración de 2 tramos simplemente apoyados con claros de 13.42m cada uno,

cuya superestructura está conformada por 35 trabes sección cajón de concreto presforzado (Figura 16),

trabajando en colaboración con un losa plana de 0.20m de espesor, con un acho de calzada de 17.90 m que aloja

el paso de dos vías de ferrocarril para un ancho total de superestructura de 20.92m.

Figura 16 Crucero Inferior vehicular Línea A, 357+085.962

Para las trabes del cajón destinadas al paso del ferrocarril se consideraron 35 trabes presforzadas de 1.35m de

peralte con 28 torones de 1/2 pulgada, y para las que permitirán el paso de vehículos 22 trabes presforzadas de

0.85m de peralte con 14 torones de 1/2 pulgada. La subestructura está conformada por 2 caballetes extremos y

una pila intermedia de concreto reforzado, con cabezal (en el caso del caballete, este cuenta con un diafragma

de respaldo) y columnas que se prolongan por debajo del terreno natural para trabajar como pilas de

cimentación. La carga de proyecto es la Cooper E-80 y no cuenta con topes sísmicos.

PASO INFERIOR DE FERROCARRIL “S” KM 292+970.00

La estructura del paso de ferrocarril consta de un tramo simplemente apoyado con claro 9.85m cuya

superestructura está conformada por 22 trabes presforzadas sección cajón, el ancho de calzada es de 19.81m y

aloja 4 vías para el paso del ferrocarril y un ancho total de superestructura de 20.11m (Figura 17).

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Figura 17 Paso inferior de ferrocarril “S” km 292+970

Las trabes presforzadas sección cajón de 0.90 m de peralte, cabe resaltar que presentan geometría similar salvo

las trabes extremas que tienen guardabalasto a diferencia de las intermedias, el resultado del diseño arrojo que

se requieren 26 torones de presfuerzo de 1/2 pulgada. La subestructura está conformada por dos estribos de

concreto reforzado que se encuentran unidos a la losa de fondo para así formar un cajón que se encuentra

trabajando como cimentación superficial. El modelo de la carga viva aplicada al proyecto es el Cooper E-80.

CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO PUENTES FÉRROVIARIOS

Existen algunos aspectos básicos que deben ser considerados en el diseño de puentes para ferrocarril y que

difieren de la práctica del diseño de los puentes carreteros, o bien que algunas normas contemplan como

lineamientos generales de diseño y que últimamente diversos autores han identificado como erróneas. Por otro

lado, debido a que la infraestructura ferroviaria en México es muy antigua y la mayoría de las líneas férreas son

de carga, cuando se diseñan puentes para ferrocarriles de mediana velocidad para pasajeros, las cargas de diseño

consideradas no son las adecuadas para satisfacer los requisitos de confort de los usuarios.

CARGAS VIVAS DE DISEÑO

Las acciones inherentes al tráfico ferroviario que se deben considerar en el diseño de proyectos de puentes y

viaductos de ferrocarril, se pueden definir como cargas variables, tales como fuerzas centrifugas, arranque,

frenado, variaciones térmicas, acciones aerodinámicas y efectos dinámicos debidos al paso de los trenes.

La aplicación e interacción de las cargas vivas con el puente ocurre como un conjunto de cargas y acciones

cuyos efectos se presentan de manera vertical, longitudinal y transversal a la estructura incluyendo sus efectos

dinámicos debido a la naturaleza móvil de las cargas, así como sus respectivas combinaciones entre ellas y

colocadas en la posición más desfavorable en orden de probabilidad de ocurrencia, para evaluar debidamente

las solicitaciones a las que estará sometida la estructura del puente, y así obtener diseños técnica y

económicamente factibles. Por tanto se puede afirmar que los esfuerzos y deformaciones inducidos en el puente

bajo el efecto tráfico ferroviario móvil son determinantes para definir la morfología y tipo de estructura

conveniente para el puente o viaducto de ferrocarril. Es importante diferenciar las cargas móviles de ferrocarril

en función de la velocidad con que circulan a través del puente, a partir de esta condicionante se definen dos

tipos de cargas: (a) las cargas vivas para puentes de convencionales de velocidad baja o media y (b) las cargas

vivas para trenes de alta velocidad. Los primeros en su mayoría pertenecen a los trenes de carga y los otros

corresponden a trenes de pasajeros generalmente.

Uno de los principales problemas que se presentan en los puentes ferroviarios es la interacción entre el puente

y la carga, esta interacción es un problema no lineal acoplado. Convencionalmente muchos investigadores se

enfocan en la respuesta de impacto que tiene la carga sobre el puente, pero no en el movimiento de los vehículos.

En muchos casos, especialmente cuando la relación de masas del vehículo con respecto a la del puente es

pequeña, los efectos elásticos y de la fuerza inercial del vehículo se pueden ignorar y a la vez adoptar modelos

más simples para los vehículos. Un ejemplo típico de la simulación del paso de un vehículo sobre un puente es

con el paso de una sola carga sobre el puente, por lo regular el modelo es conocido como Modelo de carga en

movimiento (Figura 18a). Ya que la interacción de los subsistemas se ignora, este modelo sólo es bueno para

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calcular la respuesta de subsistemas largos, es decir el puente, pero no para sistemas cortos, es decir, el vehículo.

Por lo que este modelo es adecuado cuando no interesa la respuesta del tren.

Cuando la inercia del vehículo no puede ser considerada pequeña, el modelo de la masa en movimiento es el

más adecuado (Figura 18b). Los efectos inerciales tanto del vehículo como del puente fueron inicialmente

investigados por Jeffcott (Yang et al, 2004). El modelo de carga que considera las propiedades elásticas y de

amortiguamiento del vehículo sobre el puente, es llamado Modelo masa-resorte (Figura 18c). Actualmente

existen otros modelos matemáticos para los trenes que consideran el efecto del paso de varios carros apoyados

sobre su eje de suspensión (Figura 18d). Los puentes de pasajeros de mediana velocidad que se construirán en

México al menos deben considera algún modelo de interacción vehículo-puente, pero en las memorias de

cálculo revisadas en este trabajo, en ningún puente ferroviario es considerada esta interacción.

(a) Carga en movimiento

(b) Masa en movimiento

(c) Masa-resorte (d) Carros con suspensión

Figura 18 Modelos de interacción vehículo-puente de ferrocarril.

La carga viva recomendada de acuerdo a la normativa AREMA (American Railway Engineering and

Maintenance of Way Association) fue propuesta por Theodore Cooper. Este modelo de carga está conformado

por dos locomotoras de vapor con sus respectivas carboneras o “tenders”, las cuales están acopladas una tras la

otra, seguidas por los carros o furgones. La carga Cooper se representa por medio de la letra E seguida de un

número que va del 10 al 80, el cual representa la carga motriz de la locomotora de un tren específico de la

familia (Figura 19). Por ejemplo, para el modelo Cooper E-72 la carga de cada eje motriz de la locomotora vale

72kips, es decir, 72000lbs. La constitución del modelo de carga Cooper está representada por las cargas de cada

eje motriz de la locomotora y sus carboneras, separadas entre sí por una longitud constante y seguida de una

carga uniformemente distribuida con valor de un décimo de las siglas que identifican la carga que representa

los carros. Para obtener los valores de las diferentes familias se toma como base las cargas por eje del Cooper

E-72 de 36,000 y 72,000 lbs para la locomotora y de 46,800 lb para su carbonera, las cuales se multiplican por

el factor resultante de la razón: Cooper-N / Cooper E72. La normativa AREMA recomienda utilizar la carga

Cooper E-80 cuyos valores de cargas por eje y distribución se puede ver en la Figura 13. Alternativamente se

tiene un modelo de carga adicional el cual consta de 4 cargas con valor de 100,000 lbs separadas en los extremos

por una distancia de 5 pies mientras que en el centro por 6 pies.

Actualmente en el diseño de puentes y viaductos de ferrocarril de alta velocidad es menester tomar en cuenta

las consideraciones dinámicas para velocidades mayores de 200km/h ó 220km/h (Velocidades indicadas en el

Eurocódigo UNE2-EN-1991-2 y IAPF, respectivamente), ya que bajo estas velocidades se ha demostrado que

podría tener ocurrencia este fenómeno de resonancia.

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PRIMER LOCOMOTORA SEGUNDA LOCOMOTORA CARROS O VAGONES

DistanciaEntre Ejes

Cooper E50

Cooper E60

Cooper E72

Cooper E80

a) Carga viva tipo Cooper

12 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13 14 15 16 17 18

P= (36,287 kg) P= (23587 kg) P= (18,144 kg) P= (36,287 kg) P= (23,587 kg)

w = (11907 kg/m)

P= 80,000 lb P= 52,000 lb P= 40,000 lb P= 80,000 lb P= 52,000 lb

P= (18,144 kg)

P= 40,000 lb

w = 8000 lb/ft

b) Modelo tren de carga Tipo Cooper E-80

Figura 19 Modelo de carga viva según la norma AREMA

FACTOR DE IMPACTO

Para tomar en cuenta los efectos dinámicos inherentes a las cargas móviles la normativa AREMA propone un

factor de impacto, que básicamente es un factor de amplificación que incrementa el efecto producido en el

puente por las cargas estáticas de los modelos ya descritos para considerar su efecto dinámico. La carga de

impacto es considerada como un porcentaje de la carga viva y aplica verticalmente en la parte superior de cada

vía. La normativa AREMA tiene diferentes ecuaciones para el cálculo del factor de impacto que dependen del

tipo de material y la tipología del puente en estudio.

El factor de impacto se define como la relación entre la máxima respuesta dinámica y la máxima estática,

d s

s

R x R xI

R x

(1)

donde dR x es la máxima respuesta dinámica y sR x es la máxima respuesta estática del puente calculada

en una sección de interés. Las expresiones propuestas para el cálculo del factor de impacto propuestas por la

mayoría de las normas se encuentran en función de la longitud del claro, L , del puente, por ejemplo:

15.240.30

38.1I

L

(2)

Las fórmulas propuestas en algunas normas se basan en un limitado caso de mediciones realizadas hace décadas

para las condiciones que regían en su momento. Esas formulaciones son de aplicación práctica pero no son

matemáticamente correctas ya que el factor de impacto es de carácter adimensional y considerar la longitud en

el denominador hace que se tenga una inconsistencia en ese sentido. Por otro lado, usar la longitud del claro del

puente como un parámetro de control no es representativo de las propiedades físicas del puente en cuanto a lo

concerniente de la interacción vehículo-puente (Yang et al, 2004). Diversos autores han reportado que emplear

el factor de impacto como lo establecen diversos códigos de diseño puede subestimar la respuesta dinámica en

puentes ferroviarios.

EFECTO DE LOS APOYO DE NEOPRENO

Los apoyo de neopreno típicamente utilizados en apoyos de puentes carreteros, pueden contribuir a disipar las

fuerzas sísmicas en esas estructuras. Pero empleadas de igual manera en puentes para ferrocarril puede ser

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contraproducente, ya que este tipo de dispositivos puede amplificar la respuesta dinámica en el puente debido

al paso del ferrocarril (Yang et al, 2004).

CONCLUSIONES

En este trabajo se revisa el estado actual de la infraestructura ferroviaria del país, con especial énfasis en el

estado físico de los puentes para ferrocarril en México. Debido a que la infraestructura férrea ha estado

abandonada en las últimas 4 décadas y debido a que las rutas existentes en su mayoría son para carga y están

concesionadas no existe un sistema especial de gestión para realizar la inspección y mantenimiento de puentes

para ferrocarril, debido a lo anterior se aplica para tal fin, el mismo sistema que se utiliza para puentes carreteros.

La mayoría de los puentes férreos fueron construidos en la época del Porfiriato y los más recientes en las décadas

de los 60 y 70, con carga de diseño Cooper E80, ya que su principal función era el trasporte de carga. Sin

embargo, según el plan de desarrollo propuesto por el gobierno mexicano además de proyectarse la construcción

de nuevos corredores férreos de carga se construirán trenes para el transporte de pasajeros. En ambos casos, los

lineamientos de diseño, cargas vivas y efectos de interacción tren-puente han cambiado en la reglamentación

internacional. Se revisaron algunas memorias de cálculo de nuevos proyectos de puentes para ferrocarril y se

encontró que para el caso de trenes de mediana velocidad para pasajeros no se incluye en el diseño el confort

de los pasajeros ni aspectos como topes sísmicos, interacción balasto-riel-puente, entre otros.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, quién por medio de la Coordinación de

la Investigación Científica y de la Facultad de Ingeniería Civil, se proporcionó el apoyo desarrollar este trabajo.

REFERENCIAS

Asociación Mexicana de Ferrocarriles. (2013), “Proyectos Estratégicos de Infraestructura Ferroviaria de

Carga Visión al 2030”, México: Asociación Mexicana de Ferrocarriles.

AREMA, American Railway Engineering and Maintenance of Way Association, (2000), “Manual for Railway

Engineering”. Estados Unidos.

Ferrocarriles Nacionales de México, (1995). Serie Estadística. México: “Ferrocarriles Nacionales de

México”.

H I. J. (2012), “Presente y Futuro de la Movilidad de la Carga en el Transporte Ferroviario Nacional”,

México: Ferromex.

Ministerio de Fomento, (2010). “Instrucciones de acciones a considerar en puentes de ferrocarril (IAPF)”

España: Centro de Publicaciones Secretaria General Técnica Ministerio de Fomento.

Presidencia de la Republica. (2014). “Programa Nacional de Infraestructura 2014-2018”, México: Diario

Oficial de la Federación.

Yang Y.B., Yau J.D., Wu Y. S. (2004), “Vehicle Bridge Interaction Dynamics, with applications to High

Speed Railways”, World Scientific.