Proyecto Vias Ferreas

[PROYECTO FINAL] Vías Férreas

Yandira Gabriela Huanca Solares| 1

índice

Vía férrea ..................................................................................................... 3

Dimensionamiento de la sección de riel ................................................... 7

Teoría de timoshenko ....................................................................... 13

Teoria de Sallor hunkev ................................................................. 14

Teoria de Zimermann: ........................................................................ 15

Teoria de Talbot: .............................................................................. 15

Dimensionamiento de durmiente ............................................................... 17

Dimensionamiento de la plataforma ........................................................ 22

Dimensionado de la obra hidráulica ....................................................... 26



Dimensionado de la infraestructura y superestructura de una vía férrea

1. Introducción 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 raíles 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.).

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

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

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

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

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Movimiento_de_suelos&action=edit&redlink=1

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

http://es.wikipedia.org/wiki/Alcantarilla_(construcci%C3%B3n)

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

http://es.wikipedia.org/wiki/Drenaje#Drenaje_pluvial



2. Objetivos

Aplicar todo lo aprendido en clases, diseñando la infraestructura y superestructura de una vía férrea; comprendiendo el diseño del perfil de riel, la durmiente y la altura de balasto, considerando también la existencia de una tubería así demostrar la capacidad que tenemos para lograr este diseño, cumpliendo con todas las especificaciones necesarias.

3. Marco teórico Vía férrea

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 carriles apoyados sobre traviesas que se disponen dentro de una capa de balasto. Para su construcción es necesario realizar movimiento de suelos y obras de fábrica (puentes, alcantarillas, muros de contención, drenajes, etcétera).

Esta infraestructura básica se completa con sistemas de señalización y, en el caso de líneas electrificadas, con el tendido eléctrico que provee de energía a las locomotoras.

Elementos de la infraestructura

Balasto Traviesa Tirafondos Pandrol Carril Aparatos de vía Catenaria Circuitos de vía y bloqueo Señalización

Ancho de vía

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Tren

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Carril

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Traviesa

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Balasto?action=edit&redlink=1

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Puente

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Locomotora?action=edit&redlink=1



http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Tirafondo

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Pandrol?action=edit&redlink=1


http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Aparato_de_v%C3%ADa

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Catenaria?action=edit&redlink=1

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Circuitos_de_v%C3%ADa

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Bloqueo?action=edit&redlink=1

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Se%C3%B1alizaci%C3%B3n?action=edit&redlink=1



Se denomina ancho de vía, galga o trocha a la separación entre los carriles, la cual debe coincidir con la separación entre ruedas del material rodante. Se mide entre caras internas, tomando como punto de referencia el ubicado entre 10 mm y 15 mm por debajo de la cara superior del carril, diferencia esta que depende del tipo de carril y de las normas aplicables en el país.

La vía trabaja como una viga sobre lecho elástico debido a su propio peso y la forma de comportarse del balasto, elemento destinado al apoyo y a la distribución de cargas en el terreno, y a contención. La palabra "balasto" proviene del inglés "ballast" (lastre). Desde el inicio de los ferrocarriles se utilizaban carriles de longitudes reducidas, con juntas de dilatación entre ellos, lo que producía el característico traqueteo de los ferrocarriles, con traviesas de madera tratadas para evitar la putrefacción (fundamentalmente con creosota). En la actualidad se utilizan principalmente durmientes o traviesas de hormigón pretensado y materiales plásticos sobre los que apoyan rieles soldados con longitudes relativamente grandes y juntas de dilatación más separadas gracias a un diseño más perfeccionado.

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Ancho_de_v%C3%ADa?action=edit&redlink=1

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Galga

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Trocha


http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Rueda



http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/V%C3%ADa



http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Ferrocarril


http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Ferrocarril


http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Creosota

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Durmiente


http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Riel



4. Datos generales del proyecto

a. Ubicación general

País:

Bolivia

Provincia:

Cercado

Departamento:

Oruro

Municipito:

Oruro

Altitud: 3735



b. Parámetros de diseño

Peso de Motor:

88

Tipo de locomotora:

Co – Co

Rigidez de la vía:

5 tn/mm

Ancho de vía:

1676 mm

Módulo Elástico (Ep): Arcilla Rígida

Observaciones:

Considerar la tensión máxima para una tubería de =65cm de plástico que se encuentra a 35 cm de la sub-rasante.

Disponibilidad del material para la capa base tiene un módulo de elasticidad de 700 a 1700 Kg/cm2.



5. Desarrollo practico

Dimensionamiento de la sección de riel

Para empezar a realizar el diseño asumimos una sección de riel y verificamos si esta cumple o no; para este proyecto empezaremos escogiendo un perfil de la siguiente tabla:

RIEL

SECCIONES - DIMENCIONES - PROPIEDADES

TIPO CLASIF. PESO RIEL PESO RIEL d f g Área 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 1090 165.5

ASCE std. 85 42.2 13.18 13.18 6.51 53.74 1252.9 181.9

ASCE std. 100 49.7 14.61 14.61 6.99 63.48 1831.9 239.25

Bethlehem Crane 104 51.6 12.7 12.7 6.35 66.45 2072.8 175.34

Bethlehem Crane 135 67 14.61 13.18 8.73 85.81 2114.5 283.5

Bethlehem Crane 171 84.9 15.24 15.24 10.92 108.39 3055.1 401.48

Bethlehem Crane 175 86.9 15.24 15.24 10.8 110.32 2934.4 383.46

Sabemos que el perfil más pesado que se usa en sud-américa es el de 90 lbs./yrd. Entonces asumimos un perfil de 80 lbs./yrd.



Determinamos el módulo de vía “u” Podemos tener una aproximación del módulo de vía con la ecuación de la rigidez de talbot.

√

Despejando el módulo de vía “u” tenemos:

√

[ ]

Dónde:

K: Rigidez vertical de la Vía (Kg/cm)

U: Modulo de Vía (Kg/cm2)

E: Modulo de elasticidad (Kg/cm2)

I: Momento de Inercia (cm4)

Reemplazando valores tenemos:

√

[ ]

[ ]

También podemos estimar el módulo de vía U de acuerdo a tablas, Ábacos o mediante las condiciones del suelo, como podemos ver con la siguiente tabla:



Como podemos ver para el valor de k=5 no hay el valor exacto, pero interpolando podemos obtener el módulo de vía para k=5

300 - 4.5

X - 5 X= 350 Kg./cm2

400 - 5.5

Para saber que nuestro perfil es el adecuado debe cumplir:

admfti

1) Debemos encontrar i

i Tenemos como dato, este dato varía de acuerdo a la

calidad de la riel y varía entre 5 y 10

Para nuestro proyecto tenemos:

i = 6.1 Kg/mm2



2) Debemos encontrar t

210/15.24 tt (Kg/mm2)

Dónde:

minmax ttt

Para saber la diferencia de temperaturas necesitamos el promedio anual de estas en el departamento de Oruro y podemos encontrarlas en la siguiente tabla:

Parámetros climáticos promedio de Oruro

Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Anual

Temperatura diaria máxima (°C)

24 23 22 20 20 18 18 19 20 22 23 24 18

Temperatura diaria mínima (°C)

7 6 4 -2 -4 -8 -7 -4 2 4 5 6 5

Precipitación total (mm)

240 170 140 25 20 6 5 6 22 40 75 130 190

Fuente: Wunderground Weather, Oruro, Oruro, Bolivia, Temperatura Promedio 20116

Fuente: www.wikipedia.org

∆t = Tmax. – Tmin.

∆t = 18 – 5

∆t = 13 ºC

Remplazando valores tenemos:

t

t = 3.13 Kg./ mm2

http://es.wikipedia.org/wiki/Precipitaci%C3%B3n_(meteorolog%C3%ADa)

http://es.wikipedia.org/wiki/Oruro#cite_note-5

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

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Weather-rain-thunderstorm.svg?uselang=es

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

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Weather-rain-thunderstorm.svg?uselang=es



3) Hallamos la tensión en el patín f

W

CiMf

*

Dónde:

M = Momento flector

W = Modulo resistente del perfil (Tabla adjunta Secciones de riel)

Ci= Coeficiente de impacto (Dato Ci=1.70)

f= Tensión por flexión

Para determinar el valor del momento flector tenemos 4 teorías y de estas encontraremos un momento. Para realizar este cálculo necesitamos datos que podemos obtener con ayuda de algunas tablas.

X1 y x2

Coeficiente de balasto



Sabemos que es una locomotora Co – Co podemos hallar el valor de “Q”

También tenemos algunos datos que debemos asumir de durmiente

DESCRIPCIÓN DE LA VIA FERREA

TROCHA DE LA VIA

T (m)

a (cm)

S (cm)

SECCIÓN DURMIENTE

b (cm)

h (cm)

l (cm)

Angosta 1.0 6.35 106.35 24 12 200

Media 1.435

30 15 250

Ancha 1.676

7 174.6 36 18 270



A continuación se muestra una tabla con el resumen de todos los datos utilizados para el cálculo de los momentos para las diferentes teorías.

Datos

Motor Co - Co 88 Tn

Ancho de trocha 1676 mm.

Separación (d) 60 cm.

l 270 cm.

s 174.6 cm.

Peso de riel 80 Lb/Yrd.

Q 7333 Kg.

b 24 cm.

k 14.5 Kg/cm3

x1 191 cm.

x2 183 cm.

E 2100000 Kg/cm2

I 1098.85 cm4

x0 0 cm.

U 350 Kg/cm2

Impacto(ci) 1.7

h 18 cm.

L1 46.83 cm.

Teoría de timoshenko

L √

L= 63.91

√

* +

*

+

Y0 = 0.0945 cm. Y1 = 0.0049 cm. Y2 = 0.0055 cm.



√

* +

*

+

M0 = 316119 Kg-cm M1 =15498 Kg-cm M2 =17585 Kg-cm

P0 = 1.37 Kg/cm2 P1 = 0.071 Kg/cm2 P2 = 0.08 Kg/cm2

Teoría de Sallor hunkev

√

L= 63.91 cm.

√

*

+

Y0 = 0.147 cm. Y1 = 0.008 cm. Y2 = 0.009 Cm.

√

*

+

Mo = 131562 Kg-cm M1 = 6449.9 Kg-cm M2 = 7318.5 Kg-cm



P0 = 2.129 Kg/cm P1 = 0.110 Kg/cm P2 = 0.124 Kg/cm

Teoría de Zimermann:

√(

)

L =71.76 cm

*

+

Y0 = 0.14682 cm. Y1 = 0.01049 cm. Y2 = 0.01171 Cm.

*

+



Teoría de Talbot:

√(

)



L =71.66 cm

√

*

+

Y0 = 0.1462 cm. Y1 = 0.0104 cm. Y2 = 0.0116 Cm.

√

*

+



De los 4 valores de los momentos escogemos el menor y es el de Talbot y este momento cumple para todas las condiciones de esta teoría.

M = 131374 Kg-cm.

Remplazando valores tenemos:

f

f 13.49 Kg/mm2



Reemplazando en la fórmula tenemos:

admfti

6.1 + 3.13 + 13.49 ≤ 23

22.72 ≤ 23

Por lo tanto cumple ok!!

Dimensionamiento de durmiente

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 largo del durmiente

d = Separación de durmiente a durmiente

S = Ancho de la trocha de la vía

Coeficiente de Balasto:

[

]



Dimensiones 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)

Figuras. Vista en planta de la separación de durmiente a durmiente

Calculo de la fuerza vertical

DESCRIPCIÓN DE LA

VIA FERREA TROCHA DE LA VIA

T (m)

a (cm)

S (cm)

SECCIÓN DURMIENTE

b (cm)

h (cm)

l (cm)

Angosta 1.0

6.35

106.35 24 12 200

Media 1.435 30 15 250

Ancha 1.676 7 174.6 36 18 270



Partimos de la ecuación:

Dónde:

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

(

) (

)

(

) (

)

(

) (

)

(

) (

)

Verifica ok!!



Ahora sabemos que:

Dónde:

f = 12.7 cm (propiedad del perfil en tabla anexada)

b= 36cm (por tipo de durmiente también en tabla anexada)

Verifica ok!!

Diseño a flexión.-

22 /135)/( cmKgcmKg adm

Dónde:



Verifica ok ¡!



Dimensionamiento de la plataforma

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.

Para la realización del dimensionamiento de la altura de balasto debes tener la relación modular y la relación de “h” asumido y el radio de la placa de carga, y así obtener el factor “f”

La relación modular obtenemos de la siguiente forma:

Dónde:

Eb= Este módulo tenemos como dato proporcionado en los datos de proyecto, varia en un rango de 700 a 1700 Kg/cm2.

Asumimos que el material que habrá en el banco será de buena calidad entonces asumimos que:

Eb= 1700 Kg/cm2

Ep= Este módulo obtenemos con ayuda de tablas de acuerdo al tipo de suelo para un suelo de arcilla rígida tenemos

Ep= 500 Kg/cm2



Fuente: Curso aplicado de cimentaciones; José María Rodríguez Ortiz

Entonces nuestra relación será:

Por otra parte sacamos la siguiente relación:

Con estos dos datos obtenidos podemos obtener el factor “f” del Abaco de Odemark (Ver anexos).

F=0.315

Con este factor y los datos anteriormente obtenidos debemos verificar la siguiente ecuación:



Donde:

Asentamiento admisible

Asentamiento real producido por:

Reemplazando en la ecuación:

Verifica ok!!



Con la teoría de Fox podemos verificar que se cumpla:

Donde :

√

√

= Esta relación sacamos del Abaco de fox (ver anexos) con la

altura de balasto h= 120 y la relación

obtenemos:

Verificamos que cumpla la siguiente ecuación:

Verifica ok ¡!!



Dimensionado de la obra hidráulica

El diseño indica que la tubería de plástico atravesara perpendicularmente al eje de la vía, esta tubería tiene un diámetro de

y esta se ubicara a 35cm de la sub rasante.

Debemos calcular la presión que genera una carga puntual, para este caso será el peso por rueda de la locomotora siento este valor Q= 7333 Kg., de acuerdo a Boussinesq el incremento de esfuerzos a cualquier profundidad se calcula con la siguiente relación:

{

[( )

]

}

Dónde:

Q = Carga puntual por rueda de la locomotora

Z = Profundidad de la subrasante a la tubería

r = Distancia horizontal del punto de aplicación de Q a la tubería)

Q = 7333 Kg.

r = 30 cm.

Sabemos que la carga Q se aplica por encima de la capa de balasto o base entonces el valor correspondiente de Z para el cálculo será la profundidad existente de la subrasante a la tubería más la altura de balasto de tal manera se tiene:

Z = 35 + 120 = 155 cm



Reemplazando los valores:

{

*(

)

+

}

Resolviendo la ecuación:

= 0.138 Kg/cm2

Como se puede observar el incremento de esfuerzo es pequeño de tal se considerara una tubería de PVC capaz de soportar la variación de presión generada por el peso por rueda de la locomotora.

La tubería de PVC aguanta un esfuerzo hasta de 235 Psi (fuente: ), en medidas desde ½ hasta 48 pulgadas de www. Tuberiadepvc.mx

diámetro, ideales para el transporte de agua y sistemas de irrigación.

Para poder hacer una comparación de esfuerzos transformamos las unidades y tenemos que 235 psi = 16.7 Kg/cm2

Como podemos ver el esfuerzo que recibe la tubería es menor en un 99.2 % al que aguantaría por su material.

0.138 Kg/cm2 ≤ 16.7 Kg/cm2

Verifica ok ¡!!

Por lo tanto en este caso la tubería propuesta (PVC de un ) es suficiente para que pueda soportar esta variación de esfuerzos.



6. Presentación de resultados

Resumen de resultados

Riel

Perfil 80 Lbs/Yrd.

Características

I 1098.85 cm4

S o W 165.5 cm3

Durmiente

Ancho 36 cm.

Largo 270 cm.

Alto 18 cm.

Material Madera

Distancia entre durmientes 60 cm.

Plataforma

Coeficiente de balasto 14.5 Kg/cm2

Módulo de vía 350 Kg/cm2

Rigidez 5 Tn/mm.

Altura de balasto 120 cm.

Módulo de elasticidad del balasto 1700 Kg/cm2

Módulo de elasticidad de la plataforma 500 Kg/cm2



7. Análisis de resultados

Una vez obtenidos todos los resultados podemos ver que este diseño está expuesto a condiciones extremas y que el diseño cumplió con todos las especificaciones requeridas aunque algunas estén casi al límite.

8. Conclusiones

El proyecto de diseño de una vía férrea de súper estructura e infraestructura ha sido de mucho éxito ya que ayudo a aclarar dudas y también a enfocarnos más en todos los aspectos sobresalientes que este necesita pero también en todos los otros aspectos que afectan en el diseño.

9. Recomendaciones

Habiendo concluido con el proyecto podemos decir que debemos tener mucho cuidado y un respaldo efectivo de todos los datos asumidos. También debemos tener mucho cuidado con las unidades de los valores ingresados en las fórmulas para así no alterar los resultados.

10. Bibliografía

Texto guía de la materia VIAS FERREAS ( Adscripción) www.wikipedia.com/ www.tuberiaspvc.mx Curso de cimentación de José María Rodríguez Ortiz

http://www.tuberiaspvc.mx/



11. Anexos

Proyecto Vias Ferreas

Documents

Transcript of Proyecto Vias Ferreas