Proyecto Vias Ferreas Maui

PROYECTO VIAS FERREAS Semestre 2-2012

Univ. Castellon Aguilar Mauricio Agustin 1

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.).



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.



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

Escudo

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flag_of_lapaz.svg?uselang=es

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Escudo_de_La_Paz.png?uselang=es

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bolivia_location_map.svg?uselang=es









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″O-16.50222, -

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)

http://es.wikipedia.org/wiki/Bolivia

http://es.wikipedia.org/wiki/Pa%C3%ADs

http://es.wikipedia.org/wiki/Bolivia

http://es.wikipedia.org/wiki/Provincia_de_Pedro_Domingo_Murillo

http://es.wikipedia.org/wiki/Organizaci%C3%B3n_territorial_de_Bolivia

http://es.wikipedia.org/wiki/Departamento_de_La_Paz

http://toolserver.org/~geohack/geohack.php?pagename=La_Paz&language=es&params=16_30_8_S_68_09_56_W_type:city





http://es.wikipedia.org/wiki/La_Paz

http://es.wikipedia.org/wiki/Latitud

http://es.wikipedia.org/wiki/Longitud_(cartograf%C3%ADa)

http://es.wikipedia.org/wiki/Altitud

http://es.wikipedia.org/wiki/Metro

http://es.wikipedia.org/wiki/Poblaci%C3%B3n_mundial

http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_de_poblaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Anexo:Gentilicios_ordenados_por_top%C3%B3nimos



5.- DATOS DEL PROYECTO PARA EL DISEÑO

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

INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO

TIPO DE LOCOMOTORA DE DISEÑO

Bo – Bo - Bo

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



PESO RIEL PESO RIEL d f g Area Ix W o S

lb/yd kg/m cm cm cm cm2 cm4 cm3

ASCE Ligero 30 14.9 7.94 7.94 4.29 19.35 170.65 41.79

ASCE Ligero 40 19.9 8.89 8.89 4.76 25.42 272.22 58.83

ASCE Ligero 50 24.8 9.84 9.84 5.4 31.61 420.39 83.57

ASCE Ligero 60 29.8 10.8 10.8 6.03 38.26 607.7 108.81

ASCE 70 34.8 11.75 11.75 6.19 43.94 819.98 134.21

ASCE 80 39.7 12.7 12.7 6.35 50.71 1089.85 165.51

ASCE std. 85 42.2 13.18 13.18 6.51 53.74 1252.86 181.9

ASCE std. 100 49.7 14.61 14.61 6.99 63.48 1831.86 239.25

Bethlehem Crane 104 51.6 12.7 12.7 6.35 66.45 2072.83 175.34

Bethlehem Crane 135 67 14.61 13.18 8.73 85.81 2114.46 283.5

Bethlehem Crane 171 84.9 15.24 15.24 10.92 108.39 3055.14 401.48

Bethlehem Crane 175 86.9 15.24 15.24 10.8 110.32 2934.43 383.46

RIEL

SECCIONES - DIMENCIONES - PROPIEDADES

TIPO CLASIF.

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) = 1089.85cm4



√

[ ]

[ ]

Redondeamos a [ ]

También se puede estimar el valor de u mediante tablas:

U K U K U K U K 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

84.90

2114.46 3055.14 2934.43

Ix

170.65 272.22 420.39 607.70 819.98

14.90 19.86 24.83 29.79

2072.83

51.64

1098.85 1252.86 1831.42

80.00 85.00 100.00 104.00

86.8934.76 39.72 42.20 49.65 67.03

135.00 171.00 175.00

Peso Nominal/metro [Kg/m]

PESO DEL RIEL [lb/yd]

30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

Entonces interpolamos para el valor de k de 7 [Tn/mm]



Si : 500 6.6

X 7.0 600 7.5

Entonces :

[ ]

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

admfti

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



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:



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



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:

Método de Zimermann:

√(

)

L =84.62 cm

*

+

*

+

[ ]

MOTOR Bo-Bo-Bo (Tn) 78

ANCHO DE TROCHA(mm)= 1000

SEPARACION d(cm)= 60

l(cm) 200

s(cm) 106.35

PESO DE RIEL(lb/yd) 80

Q(kg)= 7750

b(cm)= 24

k(kg/cm3)= 7.5

x1(cm)= 220

x2(cm)= 290

E(kg/cm2)= 2.10E+06

I(cm4)= 1098.85

x0(cm) 0

U(kg/cm2) 545

Impacto(ci) 1.7

Datos y consideraciones



[ ]

[ ]

Método de Talbot:

√(

)

L =64.15 cm

√

*

+



√

*

+

[ ]

[ ]

[ ]

Teoría de Timoshenko:

L √

L =75.71 cm

√

* +

*

+



√

* +

*

+

[ ]

[ ]

[ ]

Teoría de Sallor Hunkev

√

L = 75.71

√

*

+



√

*

+

[ ]

[ ]

[ ]

Entonces tenemos:

Utilizamos el Momento [ ], debido a que

es el menor momento aplicable pero que es un dato seguro al

ser hallado por un método confiable.



[ ]

Por lo tanto verificamos la ecuación:

admfti

Dimensionamiento del Durmiente.-

Figura. Vista general de durmientes

VERIFICA!!!!!!!!!!



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:

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)

T a S

(m) (cm) (cm) b h l

(cm) (cm) (cm)

Angosta 1 6.35 106.4 24 12 200

Media 1.44 30 15 250

Ancha 1.68 36 18 270

DESCRIPCIÓN DE LA VIA DERREATROCHA DE

LA VIA

SECCIÓN DURMIENTE

http://asesoramentotecnico.coag.es/wp-



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

(

) (

)

(

) (

)

(

) (

)

(

) (

)



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)

Diseño a flexión.-

22 /135)/( cmKgcmKg adm

Donde:

VERIFICA!!!!!!!!!!



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



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



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:



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



h / c

Aplicando los principios de la teoría de fox

Tenemos:

√

√

(

)

Seguidamente hallamos:



VERIFICA!!!!!!!!!!

Despejamos para igualar

(

)

(

)

Finalmente Ingresamos al Abaco de fox con h= 120cm



VERIFICA!!!!!!!!!!

Ep/Ed = 11.3

Lo que en el Abaco nos da un valor de 0.035

(

)

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)



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 de la tubería pvc según la fuente:

http://www.tuberiadepvc.mx/



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 = 80 Lb/Yd

Características del riel: I = 1098.85 cm4

W = 165.51 cm3

DURMIENTE:

Ancho b = 24 cm

Largo l = 200 cm



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



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

http://www.monografías.com/Vias/


http://asesoramentotecnico.coag.es/wp-



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



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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