Revisión estructural de la traviesa monobloque de hormigón pretensado CUBA 71 Chequeo tensional para la etapa de servicio

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” Facultad de Construcciones Departamento de Ingeniería Civil. Trabajo de Diploma. Revisión estructural de la traviesa monobloque de hormigón pretensado CUBA71.Chequeo tensional para la etapa de servicio.. Diplomante: Viuner Blay Carrazana. Tutor: Ing. Juan Lima Menéndez. Santa Clara, 2014.

(2) Resumen.

(3) Resumen. El presente trabajo aborda la. revisión del diseño estructural de la traviesa. monobloque de hormigón pretensado CUBA 71. Para lograr el trabajo propuesto fue necesario realizar una búsqueda bibliográfica de los estudios realizados a las traviesas de hormigón pretensado, centrándonos específicamente en la del tipo monobloque, la cual es objeto de análisis en el presente trabajo. Se profundizo en el estudio de los fundamentos de la resistencia y estabilidad de la vía férrea bajo la acción del material móvil y el comportamiento, ante las solicitaciones de las estructuras de pretensado. Además se efectuó un análisis sobre el conjunto de metodologías existentes para la revisión del diseño estructural y métodos analíticos de ensayos mecánicos a la traviesa monobloque. Seguidamente se desarrolló el procedimiento de cálculo de la revisión estructural y del método analítico de ensayo mecánico de la traviesa CUBA 71, utilizando la metodología de Zimmerman y Schramm, para cálculo de solicitaciones en la vía, y el uso del Manual de Diseño de Estructuras de Hormigón Postensado y Pretensado (PCI), los cuales son empleados en nuestro país para el diseño de estos tipos de estructuras. Por último se realizó la comparación de los resultados de nivel matemático con los obtenidos por medio de ensayos mecánicos..

(4) Índice.

(5) Índice Introducción. I. Situación Problemática.. II. Problema. III. Objetivo general.. III. Objetivos específicos.. III. Hipótesis. IV. Tareas principales. IV. Aportes. IV. Métodos y técnicas empleadas. IV. CAPÍTULO I: Referentes históricos de la traviesa. Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada. Resumen. 1.1. 1. Breve caracterización de la importancia de las traviesas en la vía.. 1.2. Acercamiento a las características de las traviesas y sus deficiencias.. 1. 2. 1.2.1. Clasificación de los tipos de traviesas.. 2. 1.2.1.1. Según su material de construcción.. 2. 1.2.1.2. Según su tipo.. 3. 1.2.1.3. Ventajas y desventajas de cada una.. 6. 1.2.1.4. Según sus características físico- geométricas.. 6. 1.2.1.5. Deficiencias presentes en las traviesas.. 7. 1.3. Métodos y técnicas empleadas en la concepción de. las. traviesas de hormigón pretensado. 8. 1.3.1. Método de Zimmerman y Schramm.. 8. 1.3.1.1. Determinación de solicitaciones actuantes en la vía.. 21. 1.3.2.. Método del diseño estructural utilizado en Cuba.. 23. 1.3.2.1. Introducción a la técnica del pretensado.. 23. 1.3.2.2. Clasificación del hormigón pretensado. 24. 1.3.2.2.1. Atendiendo a la posición del refuerzo en el interior de la sección.. 25.

(6) 1.3.2.2.2. Atendiendo al momento de tesar la armadura respecto del momento de hormigonado.. 1.3.2.2.3. Atendiendo a las condiciones de adherencia del tendón. 1.3.2.2.4. Atendiendo a la ubicación del tendón resultante respecto de la sección transversal del elemento.. 1.3.2.2.5. 25 27 28. Atendiendo a la magnitud de las tensiones calculadas para las cargas de servicio en la fibra extrema en tracción ubicada en la. 28. zona precomprimida. 1.3.2.3. Evaluación de la variación en la fuerza de pretensado.. 29. 1.3.2.3.1. Pérdidas instantáneas.. 30. 1.3.2.3.2. Pérdidas diferidas.. 31. 1.3.2.4.. Hipótesis de carga. 31. 1.3.2.4.1. Etapa de transferencia de la fuerza de pretensado. 32. 1.3.2.4.2. Etapa de servicio de la estructura.. 32. 1.3.2.4.3. Hipótesis de carga en la etapa de agotamiento. 32. 1.3.2.5.. Tensiones límites en el hormigón. 33. 1.3.2.5.1. Tensiones límites en el instante de la transferencia del pretensado.. 34. 1.3.2.5.2. Tensiones límites en la etapa de servicio. 34. 1.3.2.6. Tensiones límites en el acero.. 35. 1.3.2.7. Tensiones originadas por la fuerza de pretensado en las fibra extremas de la sección.. 1.3.3. Breve referencia de los métodos de análisis y revisión en la estructura de la traviesa de hormigón pretensado.. 35. 36. 1.3.3.1. Análisis de las propiedades mecánicas.. 36. 1.3.3.2. Cálculo de las pérdidas del pretensado.. 37. 1.3.3.3. Tensiones admisibles para el diseño de pretensado.. 38. 1.3.3.4. Análisis tensional. 38. 1.3.3.5. Análisis teórico de ensayos mecánicos.. 39. 1.4. Métodos automatizados de diseño.. 39. 1.5. Conclusiones parciales del capítulo.. 40.

(7) CAPÍTULO 2. Determinación del procedimiento para la revisión estructural de la traviesa de hormigón monobloque. Resumen. 2.1. 42. Breve referencia de los métodos de revisión en la estructura de la traviesa de hormigón pretensado.. 2.2. Métodos utilizados para el análisis y revisión estructural de las traviesas pretensadas monobloques.. 42. 43. 2.2.1. Método de Zimmerman y de Schramm.. 43. 2.2.1.1. Determinación de solicitaciones actuantes en la vía.. 43. 2.2.1.1.1. Según el plano en que actúan:. 44. 2.2.1.1.1.1. Fuerza vertical. 44. 2.2.1.1.1.2. Fuerza horizontal longitudinal. 46. 2.2.1.1.1.3. Fuerza horizontal transversal.. 47. 2.2.1.2. Tensiones producidas en los diferentes elementos de la estructura de la vía férrea. 47. 2.2.1.2.1. Procediendo a determinar las cargas verticales sobre el carril.. 47. 2.2.1.2.2. Determinación de las solicitaciones sobre el carril (M y Q).. 48. 2.2.1.2.3. Determinación de las tensiones en el carril. debido a su. flexión vertical 2.2.1.2.4. Momento flector sobre el carril debido a una carga aislada. 2.2.1.2.5. Momento flector en sección de cálculo situada a una distancia x de la carga. 50 51 52. 2.2.1.2.6. Momento flector sobre el carril debido a un sistema de cargas. 53. 2.2.1.2.7. Determinación de las tensiones de compresión en la traviesa.. 54. 2.2.1.2.7.1. Cortante en una sección bajo la carga.. 57. 2.2.1.2.7.2. Cortante en una sección sobre traviesa situada a una distancia x de la carga.. 58. 2.2.1.2.7.3. Cortante debido a un sistema de cargas. 58. 2.2.1.2.7.4. Momento máximo actuante en la traviesa.. 59. 2.2.2. Método del Manual de Diseño del PCI.. 62. 2.2.2.1. Análisis de las propiedades mecánicas.. 64. 2.2.2.1.1. Para sección bajo carril.. 64. 2.2.2.1.2. Para sección central.. 66. 2.2.2.2.. Análisis de las pérdidas de tensión en el pretensado.. 68.

(8) 2.2.2.2.1.. Pérdidas instantáneas de pretensado.. 69. 2.2.2.2.2.. Pérdidas diferidas de pretensado. 72. 2.2.2.2.2.1. Pérdidas por flujo plástico del hormigón. 73. 2.2.2.2.2.2. Pérdidas por retracción del hormigón.. 74. 2.2.2.2.2.3. Pérdidas por relajación del acero.. 74. 2.2.2.3.. Tensiones admisibles para el diseño de pretensado.. 76. 2.2.2.4.. Tensiones actuantes en el pretensado. 77. 2.2.2.4.1.. Tensiones en la primera etapa.. 77. 2.2.2.4.2.. Tensiones actuantes en la etapa de servicio. 80. 2.2.2.5.. Análisis teórico de ensayos mecánicos. 81. 2.2.2.5.1.. Análisis de ensayo a flexotracción. Bajo carril. 81. 2.2.2.5.2.. Análisis de ensayo a la flexotracción en zona central. 82. 2.3.. Método de ensayo mecánico de flexotracción. 84. 2.3.1.. Principios del método. 84. 2.3.2. Aparatos.. 84. 2.3.3. Procedimiento.. 84. 2.3. Conclusiones parciales del capítulo.. 84. CAPÍTULO 3. Revisión y evaluación de cálculo del diseño de la traviesa monobloque CUBA 71. Resumen. 3.1. Resultados de las revisión de cálculo del diseño de la traviesa CUBA 71.. 87 87. 3.1.1. Solicitaciones actuantes en el carril y traviesa.. 87. 3.1.2. Propiedades mecánicas de la sección.. 89. 3.1.2.1. Para sección bajo carril.. 89. 3.1.2.2. Para sección de la zona central. 90. 3.1.3. Análisis de las pérdidas de tensión en el pretensado.. 91. 3.1.3.1. Momentos actuantes en el pretensado.. 91. 3.1.3.2. Perdidas instantáneas.. 91. 3.1.3.2.1. Pérdidas por acortamiento elástico instantáneo del hormigón.. 91. 3.1.3.3. Pérdidas diferidas.. 92. 3.1.3.3.1. Pérdidas por flujo plástico del hormigón. 92. 3.1.3.3.2. Pérdidas por retracción del hormigón.. 92. 3.1.3.3.3. Pérdidas por relajación del acero.. 92.

(9) 3.1.3.3.4. Evaluación de las pérdidas diferidas totales y fuerzas efectivas del pretensado. 3.1.4.. Definición de las tensiones admisibles para el pretensado. 3.1.4.1.. Tensiones admisibles de pretensado para la etapa de transferencia.. 3.1.4.2.. Tensiones admisibles. de pretensado para la régimen de. servicio.. 93 93 93. 93. 3.1.5.. Valores de tensiones actuantes en el elemento. 94. 3.1.5.1.. Valores tensionales para la carga mínima. Carga de peso propio. 94. 3.1.5.1.1. Análisis tensional para la primera etapa en sección extrema del elemento. 3.1.5.1.2. Análisis tensional para la primera etapa en sección central del elemento 3.1.5.2.. Valores tensionales para la carga de trabajo. Carga permanente + móvil.. 3.2.. Resultados del análisis teórico de ensayos mecánicos de la traviesa.. 3.2.1.. Resultados de los ensayos teóricos a flexotracción en zona bajo carril.. 3.2.2.. Resultados de los ensayos teóricos a flexotracción en zona central.. 94. 95. 96. 97. 98. 99. 3.3.. Resultados de ensayos mecánicos realizados a la traviesa.. 100. 3.3.1.. Resultados de los ensayos al hormigón. 101. 3.3.2.. Resultados de los ensayos de carga realizado a la traviesa en la zona de apoyo del carril.. 101. 3.4.. Comprobación por el método analítico de ensayo mecánico.. 102. 3.5.. Conclusiones parciales del capítulo.. 104. Conclusiones. 107. Recomendaciones. 110. Bibliografía.. 112. Anexos. 114.

(10) Introducción.

(11) Introducción El ferrocarril es un medio de transportación, y novedoso avance de la ciencia y la tecnología de la segunda mitad del siglo XIX. Fue introducido en Cuba en la década de 1800 resultando así el primer país de América Latina y el séptimo en el mundo en utilizarlo. En sus inicios fue empleado con fines económicos y posteriormente para facilitar la transportación masiva de pasajeros de un punto a otro del territorio. Nuestra revolución ha hecho grandes esfuerzos para ampliar el ferrocarril y llevarlo a los lugares más recónditos de nuestra geografía, debido a su seguridad, estabilidad y economía, es el medio de transportación terrestre más eficaz, aunque sus costos iniciales son elevados. El consumo de un tren es tres veces menor que el de un equipo de carretera para iguales cargas y distancias, la carga llega toda al destino al mismo tiempo, requiere menos personal para su traslado y generalmente sus tarifas por kilómetros son más baratas. Hoy día tras una crisis en todos los aspectos económicos, el ferrocarril no ha estado ajeno a los daños causados por la misma, miles de kilómetros de vías han sufrido el deterioro, por la explotación y falta de mantenimientos de su superestructura, en el transcurso de los años. Debido a lo antes expresado y como política trazada en los lineamientos del VI Congreso del Partido Comunista de Cuba en sus lineamientos de la política económica y social, en la cual la política para el transporte en sus lineamientos 249, 250, 252, 254, establece continuar la recuperación, modernización y reorganización del transporte, dando orden de prioridad al ferrocarril, el cabotaje y las empresas especializadas en el transporte. Se hace inminente, para consolidar la infraestructura ferroviaria, la producción inmediata de un mayor vólumen de traviesas para el ferrocarril, a partir de esto la dirección de nuestro país evaluó los costos que implicaría la compra de nuevas tecnologías para la producción de traviesas y se tomó, como solución más económica, la decisión de recuperar y poner en marcha la antigua planta de traviesas CUBA 71, dependencia de la Empresa de Producciones Industriales (EPI), ubicada en el municipio Santa Clara, provincia Villa Clara, la cual tras años de explotación, cesó sus funciones y al transcurso de los años la tecnología sufrió grandes deterioros, lo que requirió así una inversión inicial para su puesta en marcha. I.

(12) En nuestro país hasta el momento solo existía una fábrica productora de traviesas, la cual fue adquirida en el campo capitalista a un costo de seis millones de dólares estadounidenses, la misma cuenta con una tecnología totalmente automatizada, de última generación, en cambio la planta CUBA 71, bajo un costo de un millón cien mil (componentes en ambas monedas, divisas y nacional), seria recuperada en un plazo de seis meses, estando lista para su producción industrial. Las características principales de esta planta inciden en su bajo nivel de tecnologías a emplear, producciones en bancos de ciento ochenta metros, de producción continua, el cual deriva 288 elementos por cada uno, cuenta con once bancos de este tipo, una capacidad mensual de 24 líneas (6 912 elementos),siendo su capacidad máxima anual de producción de 82 944 unidades. Situación Problemática. El 26 de enero del 2013 la planta de producción de traviesas CUBA 71 comenzó la producción. de. elementos,. los. cuales. inicialmente. presentaron. problemas. estructurales con la surgencia de fisuras longitudinales, tras un análisis realizado al diseño de mezcla de hormigón, el cual es diseñado para calidad no estandarizada de 42.0 MPa y condicionado bajo el cumplimiento de obtener una resistencia inicial de 30.0 MPa a los 3 días, el cual estaba constituido por áridos finos, naturales beneficiados, y gravillas artificiales de granulometría continua entre 5mm y 15mm se llegó a la conclusión que los áridos finos naturales empleados contenían un alto por ciento de arcilla, lo cual no brinda la resistencia necesaria para soportar los esfuerzos de las tensiones, que le serán transferidas por el acero de refuerzo a la masa de hormigón en el momento del destense, para lo cual se determinó cumpliendo la condición planteada, sustituir dicha mezcla de hormigón por una compuesta por áridos de mayor calidad, de origen pétreo, que tiene la propiedad de contener muy bajos niveles de arcillas, casi nulos, y brindan una mayor resistencia a los esfuerzos que estará sometida la masa de hormigón ya endurecida, luego de puesta en práctica esta medida, se verificó que, la misma reducía la surgencia de fisuras longitudinales pero no daba respuesta total a la problemática presentada. Seguidamente se procedió a la revisión del acero de refuerzo, para lo cual se utiliza en el elemento 16 hilos de alambre grafilado de alto límite elástico, de sección periódica, con un diámetro nominal de 5mm, con valor de límite de rotura fpu igual a 1670 MPa, y límite elástico de 0.85 fpu, lo que se traduce en 1420 MPa, según establece la ASTM 421, sometido a una fuerza de tensión por hilo de 2 352 kg. Se II.

(13) determinó, que el acero utilizado en ese momento cumplía con las especificaciones técnicas, en correspondencia con la profundidad, longitud y espaciamiento. del. grafilado, más sin embargo no brindaba la adherencia necesaria por tanto era ineficaz el agarre mecánico del acero con el hormigón, por lo que se determinó sustituir el acero por otro que cumpliera con las especificaciones exigidas, y a su vez tuviese características que posibilitaran una mayor adherencia con el hormigón. Ya puesta en prácticas estas medidas, se constató que las deficiencias detectadas en la producción de traviesas, desaparecieron completamente dando como resultado un elemento de alta calidad, lo cual es evidente en las inspecciones visuales y ensayos mecánicos que se realizan los cuales tienen comportamientos superiores a los esperados por diseño. Pese a los resultados, existe escepticismo sobre el uso de la traviesa CUBA 71 en vías de primera categoría para lo cual se deriva un análisis o interrogante que se presenta como problema de este trabajo…. Problema. ¿Será la traviesa CUBA 71 un elemento capaz de soportar esfuerzos superiores, para la cual fue diseñada, resistir velocidades y cargas mayores a las establecidas en su diseño y por tanto clasificar como elemento apto para el uso en vías de primera categoría? Objetivo general. Realizar el chequeo tensional para la etapa de servicio de la traviesa monobloque CUBA 71. Objetivos específicos. 1. Describir los métodos de revisión del diseño de traviesas. 2. Analizar y evaluar los esfuerzos y el dimensionamiento del elemento, así como el estudio de los grupos principales de teoría, para el cálculo de los esfuerzos por flexión de la traviesa en servicio. 3. Realizar los cálculos de las propiedades mecánicas del durmiente de hormigón. Solicitaciones actuantes. 4. Realizar el cálculo del pretensado de la traviesa CUBA 71. 5. Realizar el análisis teórico de ensayos mecánicos para la traviesa o durmiente de hormigón.. III.

(14) Hipótesis. Si la traviesa CUBA 71, cumple con los valores máximos de esfuerzos admisibles para velocidades y cargas superiores a las establecidas en su diseño, entonces podrá ser un elemento apto para el uso en vías férreas de primera categoría. Tareas principales. 1. Recopilación bibliográfica de normativas referentes a los diseños de traviesas, estudio de los códigos y normas para el hormigón pretensado-flexión. 2. Análisis de los variados diseños de traviesas existentes, materiales y comportamiento estructural. 3. Valoración de la bibliografía y análisis del diseño original de la traviesa CUBA 71. 4. Investigación y estudio de los métodos de diseños y revisión de traviesas de hormigón pretensado monobloque, existentes. 5. Confección de la memoria escrita y gráfica del trabajo investigativo. Aportes Dotar a la Empresa de Producciones Industriales de Villa Clara de datos estructurales fiables sobre el comportamiento y propiedades de la traviesa CUBA 71 como elemento prefabricado. Económicamente tendrá un impacto positivo, ya que se demostrara que la traviesa CUBA 71, cumple con los parámetros establecidos para su uso en vías férreas de primera categoría. Métodos y técnicas empleadas. Para la realización de la revisión estructural de la traviesa de hormigón pretensado se procede al uso de los métodos de nivel matemático, consultado en las diversas literaturas dedicadas al estudio de solicitaciones en la vía férrea y al diseño de estructuras de hormigón postensado y pretensado.. IV.

(15) Capítulo I 0.

(16) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Capítulo I. “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Resumen. El presente capítulo está concebido, a partir de tres aspectos fundamentales: 1. La caracterización de la influencia de las traviesas en el desarrollo vial. 2. El acercamiento a las características de las traviesas y sus deficiencias, dónde se exponen la clasificación de las traviesas existentes en cuanto a su material de construcción, su tipo, ventajas y desventajas de cada una, según sus características fisico-geometricas y las deficiencias presentes en las traviesas. 3. Las acciones ingenieriles para erradicar las deficiencias en las traviesas dónde nos introduciremos en la técnica del hormigón pretensado, analizando sus ventajas y desventajas, y los aspectos fundamentales a tener en cuenta en la utilización de esta técnica y el estudio de las solicitaciones actuantes en el mismo. Así mismo nos acercamos a dos de los métodos de diseños empleados, dónde se combinan las solicitaciones que actúan en la vía, con la traviesa en servicio y el diseño del elemento pretensado para dar respuesta eficiente a las solicitaciones presentadas. 1.1. Breve caracterización de la importancia de las traviesas en la vía.. En vías férreas, las traviesas o durmientes son los elementos transversales al eje de la vía que sirven para mantener unidos y a la vez a una distancia fija (galga o trocha) a los dos carriles (rieles) que conforman la vía, así como mantenerlos unidos al balasto, trasmitiendo el peso del material rodante al balasto y, por intermedio de éste, al suelo. También cumplen la función de dar peso al conjunto, de manera que la geometría inicial del trazado se mantenga en la mayor medida posible. ((http://es.wikipedia.org/wiki/ferrocarril)) Las principales funciones que debe desempeñar una traviesa son las siguientes: . Soporte de los raíles, fijando y asegurando su posición en lo referente a cota, separación e inclinación.. . Recibir las cargas verticales y horizontales transmitidas por los raíles y repartirlas sobre el balasto mediante su superficie de apoyo. 1.

(17) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada” . Conseguir y mantener la estabilidad de la vía en el plano horizontal y en el vertical. frente a los esfuerzos estáticos procedentes del peso propio y las. variaciones de temperatura y a los esfuerzos dinámicos debidos al peso de los trenes. Mantener, siempre que sea posible, por sí mismo y sin ayuda de elementos específicos incorporados a la sujeción, el aislamiento eléctrico entre los dos hilos de raíles cuando la línea esté dotada de circuitos de señalización o por corrientes parásitas. Para cumplir estas funciones deben considerarse el material, las funciones, el peso, la elasticidad que confiere a la vía, sus características aislantes y su durabilidad. ((http://es.wikipedia.org/wiki/ferrocarril)) 1.2. Acercamiento a las características de las traviesas y sus deficiencias.. 1.2.1 Clasificación de los tipos de traviesas. 1.2.1.1.. Según su material de construcción.. Los materiales de que se dispone para hacer las traviesas serán la madera, el acero, la fundición, los materiales sintéticos, el hormigón, el hormigón armado y el tensado, que es el más usado en la actualidad. Las características de este hormigón tensado son: . La traviesa de hormigón pretensado o postensado tiene una vida útil en servicio, superior al doble de los de madera.. . Conserva a lo largo de toda la vía una notable constancia en sus condiciones físicas.. . La vía muestra una mayor resistencia a los desplazamientos en su plano.. . Se puede diseñar en la forma más conveniente para resistir los esfuerzos que habrá de soportar en servicio.. . Su costo es un poco mayor que la traviesa de madera tratada.. . Para aislar eléctricamente los dos raíles es necesario usar piezas de aislamiento especiales.. . El manejo es más difícil a causa del peso elevado (250 kg) y su relativa fragilidad.. . Presenta una debilidad estructural en su centro, debido a que su apoyo uniforme en el balasto origina esfuerzos de tracción en su cara superior, con posibles grietas en el hormigón. 2.

(18) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. En general se pide a los materiales un cemento de alta calidad, áridos de resistencia elevada y de tamaño uniforme. La resistencia a la compresión del hormigón debe ser mayor de 450 kg/cm², y la tensión de ruptura del acero debe estar por encima de 150 kg/mm². 1.2.1.2. . Según su tipo.. Tipos de traviesas de madera.. Existen distintos tipos de traviesa de madera atendiendo al: o Tipo de madera Las traviesas más utilizadas son de pino, haya, roble, y de quebracho en Sudamérica. o Atendiendo a su finalidad y especificaciones técnicas, aparatos de vía, puentes, aparatos de dilatación, cambios, travesías y otros usos. Dentro de las especificaciones técnicas está el tipo de carril a utilizar, de este dependerá el cajeo de la traviesa, aunque el ancho se mantendrá, como es natural a 1435 mm. Las traviesas de 45 kg/m tendrán un cajeo con una inclinación de 1/20. Atendiendo a la calidad de la línea en la que se utilicen. Es evidente que los costes en la calidad de la traviesa dependerán directamente del tipo de explotación a realizar. ((http://es.wikipedia.org/wiki/ferrocarril)) Tratamientos previos. Antes de ser utilizadas las traviesas de madera llevaran un proceso de selección y tratamiento:  En la selección no se exige que todas las caras estén a escuadradas, si es necesario, no obstante, la cara inferior destinada a ir sobre el balasto, debe ser plana a fin de ofrecer una superficie homogénea.  Tras la selección se realiza un tratamiento consistente fundamentalmente en un baño de cloruro de zinc o fluorato de sodio, que preservará a la traviesa del ataque de insectos y hongos xilófagos. Tras esperar al secado de la misma las traviesas están listas para su transporte e instalación.. 3.

(19) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Sujeción. Aunque ha variado con el tiempo, el tipo de clavazón más común en la traviesa de madera es el tirafondo. Este irá insertado en una placa de sujeción, enroscado en la madera y con la cabeza sujetará el carril a la placa. . Tipos de traviesas de hormigón.. Las traviesas de hormigón, también denominadas durmientes de hormigón, son un tipo de traviesas que aparece ante la necesidad de buscar elementos más económicos, duraderos y abundantes que la madera, y al mismo tiempo requieran un menor gasto de mantenimiento, las traviesas pueden ser: Armadas, pre tensadas y post tensadas. Aparecen por primera vez en la Primera Guerra Mundial. Tras muchos intentos y pruebas comienza a consolidarse en el mercado ferroviario a partir de los años 50. ((http://es.wikipedia.org/wiki/ferrocarril)). o Traviesa de hormigón monobloque. o Traviesa de hormigón bibloque.  Traviesa de hormigón monobloque. Características La traviesa de hormigón está elaborada con una armadura, calculada para ofrecer una buena resistencia a la presión del material rodante, que queda oculta al en el interior del hormigón. El tiempo de fraguado y endurecimiento puede variar entre dos y tres días, dependiendo de los agregados que se empleen en la mezcla de hormigón y de la técnica de curado que se emplee. La traviesa que se considerada más racional es la traviesa de hormigón monobloque pretensada, la cual es la que se produce en ambas plantas del país, está formada por un bloque de hormigón. de alta resistencia (450 – 500 kg/cm²), en forma de viga. trapecial, reforzada con alambres o barras de alto límite elástico, (según la tecnología), tensado en frio, de resistencia nominal de 190 kg/mm². Presenta un peso de 250 kg lo que lo hace un elemento pesado de ahí la necesidad del uso de máquinas herramientas para su manipulación. Sistemas de sujeción. 4.

(20) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Sistema de sujeción P2. Se demuestra como un método más eficaz del obsoleto RS. Este sistema cuenta con: . Tornillo para RS de 54, tuerca y arandela (específicos). . Grapa de sujeción para RS de 54 interior o exterior. . Goma de caucho para RS de 54.. Sistema P50 J2. Este sistema cuenta con: . Tornillo para RS de 54, tuerca y arandela (específicos). . Dispositivo de sujeción rígida, elaborada a base de poliamida de alta resistencia, que sustituye la obsoleta grapa, Goma de caucho para RS de 54.. ((http://es.wikipedia.org/wiki/ferrocarril))  Traviesa de hormigón armado bibloque. Esta traviesa está formada por dos bloques de hormigón de unos 72 cm de longitud, dónde apoyará el carril, unidos por una riostra de hierro en forma de T. Este es el motivo de la endeblez y a la postre desuso de esta traviesa. Tenemos que la riostra es un magnífico conductor, por lo que las sujeciones que sujetan al carril contra los bloques de hormigón han de ser aislantes, con lo que se incrementan los costes, llegando a tener hasta 24 elementos de sujeción. La manipulación de la traviesa ha de hacerse con sumo cuidado, pues el centro de gravedad de la misma (la riostra) coincide con el punto más débil, por lo que es muy fácil doblarla, quedando inservible. Una vez colocada la traviesa, se comporta mal en sitios con mucha humedad por la oxidación de la riostra y rotura de la misma. A todo lo anterior se une su mal comportamiento en descarrilos, pues se deforma con mucha facilidad. Desde los años 80, en algunos países europeos, viene retirándose paulatinamente en beneficio de la traviesa monobloque. ((http://es.wikipedia.org/wiki/ferrocarril)) Sistemas de sujeción El sistema de sujeción en traviesas bibloque RS es muy específico, es decir, no es posible utilizarlo en otro tipo de traviesa. Este se basa fundamentalmente en la forma del tornillo que encaja en una hendidura, llamada chimenea, y que a su vez se sujeta en la riostra. Sistema RN 5.

(21) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada” . Tornillo para RS de 54, tuerca y arandela (específicos). . Casquillo aislante. . Grapa de sujeción para RS de 54 interior o exterior. . Goma de caucho para RS de 54. 1.2.1.3.. Ventajas y desventajas de cada una.. Traviesa de madera. Ventajas y desventajas. Como ventaja, no cabe duda que es en su sustitución, su poco peso, unos 70 kg son fácilmente manejables por dos obreros, cosa que no ocurre con otros tipos de traviesas con un peso 3 ó 4 veces superior. También tienen un buen comportamiento en descarrilos pues no se parten fácilmente. Sin embargo la madera supone un gasto en escalada creciente, escaso, caro y su vida media es menor que la traviesa de hormigón. La clavazón pierde con el tiempo su efectividad, esto provoca un mal comportamiento en la conservación del ancho de vía. ((http://es.wikipedia.org/wiki/ferrocarril)) Traviesa de hormigón. Desventajas con respecto a la traviesa de madera. La desventaja principal es su peso y con éste la manipulación; la traviesa monobloque pesa unos 250 kg, por lo que para su manipulación se requiere maquinaria o un número considerable de agentes u operadores. Las ventajas son muchas: El peso puede ser una de ellas, pues estabiliza más la vía, la duración es bastante más larga, al no ser un elemento orgánico, como lo es la traviesa de madera. Conserva bien el ancho de vía, aunque hay matizaciones al respecto con la traviesa bibloque. El coste de la traviesa de hormigón es mucho menor que el de la traviesa de madera, elemento este cada vez más escaso. 1.2.1.4 Según sus características físico- geométricas. La sección transversal de la traviesa de madera. se establece partiendo de los. siguientes criterios:. 6.

(22) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. . El apoyo superior debe ser suficiente como para poder colocar sobre ella las sillas, aunque esta última debe ser más estrecha que el ancho de la traviesa.. . La parte inferior debe ser lo suficientemente ancha como para que la presión sobre el balasto vaya disminuyendo y no ser extraordinario, para poder compactar y calzar debajo de la traviesa.. . El espesor de la traviesa debe garantizar un momento de inercia y un módulo de sección necesarios teniendo en cuenta su desgaste. y su pudrición, las. reparaciones que sean necesarias en el periodo de explotación. La longitud de la traviesa depende más del aspecto técnico que del económico, no obstante debe ser racional. La longitud oscila entre 2400 y 2800 mm y en algunos casos son empleadas medidas especiales como 3000 mm; 3500 mm; 4000 mm; 4500 mm y 6000 mm. Todas con un ancho de unos 24 cm y una altura de 14 cm. Existe la excepción en algunos países, como España, el uso de traviesas con longitud de un metro, por lo que generalmente se utilizan traviesas recicladas o de segundo uso de 260 cm, existen también según diferentes regiones medidas que oscilan por los 260 cm de largo y con un ancho y alto de 26 cm y 16 cm respectivamente. ((http://es.wikipedia.org/wiki/ferrocarril)). 1.2.1.5. Deficiencias presentes en las traviesas. Primeramente se hará referencia a algunos términos generales. Vida útil: Tiempo estimado para la duración de un equipo o componente de un sistema sin que sea necesaria la sustitución del mismo; en este tiempo solo se requieren labores de mantenimiento para su adecuado funcionamiento. (Carmiña, 2000). La Norma Cubana (NC52-55,1982), define: . Tiempo de vida útil es el tempo durante el cual la construcción o sus elementos componentes, mantiene dentro de niveles aceptables sus condiciones técnicas, higiénico-ambientales, funcionales y de seguridad, sometida a una explotación normal y recibiendo trabajos periódicos de conservación.. . Proceso patológico es la secuencia que comprende el origen y las causas del estado de lesión o desperfecto del elemento, la evolución del proceso de deterioro, 7.

(23) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. sus síntomas y finalmente las manifestaciones de deterioro que se detectan u observan. Las deficiencias que se pueden presentar en los elementos de hormigón son varios y su naturaleza es debida a varias causas dependientes de materiales, tecnologías constructivas, defectos y agentes externos, entre estos últimos la gama es amplia, incluyéndose, la temperatura, humedad, lesiones e impactos, etc. Las deficiencias más comunes en las traviesa, están determinadas por las características del material: Las traviesas de maderas son propensas a sufrir deterioros por pudrición debido a la permanente exposición de los agentes atmosféricos y a la invasión de plagas de insectos devoradores de maderas. (Menendez, 2011) En las traviesas de hormigón. por su parte encontramos, la corrosión del acero. expuesto en las cabezas de los elementos lo cual puede originar la pérdida de las propiedades físico-mecánicas del mismo, disminuyendo el agarre al hormigón y por tanto la perdida de las tensiones en el mismo. Otra patología presente es la presencia de fisuras, la cual puede estar determinada por diferentes causas provenientes de los materiales que la conforman, sea el hormigón o el acero, los cuales deben cumplir con las especificaciones para este tipo de elemento debido a su tipicidad por la forma de trabajo a la que está expuesta. 1.3. Métodos y técnicas empleadas en la concepción de. las traviesas de. hormigón pretensado. 1.3.1 Método de Zimmerman y Schramm Para la concepción y/o revisión del diseño de la traviesa es necesario conocer los esfuerzos a los que va a estar sometido el elemento, para este caso el método analítico que evalúa a un nivel más certero estos fenómenos es el método de Zimmerman y Schramm que se basan en fundamentos de la resistencia y estabilidad de la vía férrea bajo la acción del material móvil. En el estudio de este análisis es necesario tener conocimiento del tipo de equipo a utilizar, en dependencia de la categoría de vía para la cual se requiere diseñar la traviesa, la velocidad de circulación del mismo, el carril que se emplea para la categoría 8.

(24) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. de vía en cuestión y sus características, el coeficiente de balasto, el cual varía según las condiciones del mismo. En nuestro país todos estos datos están normalizados en varias Normas Cubanas y Ramales pertenecientes a la Unión de Ferrocarriles de Cuba. Ejemplo de ellos encontramos los tipos de trenes, peso, distancia entre ejes longitudinales, velocidad, los cuales son datos que provienen del fabricante y algunos modificados a partir de las regulaciones existentes en nuestro país, como es el caso de las velocidades. Las velocidades límites de circulación están dadas a partir de la combinación del peso del tren, y la influencia del coeficiente dinámico con respecto a la velocidad máxima permisible a desarrollar por el equipo en la categoría de vía, para la que se diseña, por lo general los elementos de sustentación o traviesas se fabrican para vías de primera categoría, siendo capaz de soportar 11.5t/ejes, en la sección bajo carril. En la tabla siguiente se muestra los tipos de equipos existentes en Cuba, bajo los que se diseñan las solicitaciones actuantes en la vía:. DATOS DE EQUIPOS Locomotoras. Súperpesada. Pesadas. C 30 -7. Medianas. TE 114. TEM 4. TGM 8. TGM 6. MLW. GM 900. TGM 4. Velocidad máxima de circulación (kph). 70. 120. 100. 66. 80. 130. 90. 55. Velocidad máxima de construcción (kph). 105. 120. 100. 66. 80. 130. 90. 55. 19. 28.5. 9.0. 6.0. 5.0. 14.8. 13.0. 5.0. 149. 120. 120. 80. 80. 112. 72. 68. 1461.19. 1176.8. 1176.8. 784.53. 784.53. 1098.35. 706.08. 666.85. Velocidad mínima continua (kph) Peso total (t) Peso total (kN) No de ejes Long entre ejes (cm). 6. 6. 6. 4. 4. 6. 4. 4. 212.1. 185. 210. 210. 210. 175. 210. 210. Como se puede notar los equipos están categorizados según su peso en súperpesadas, pesadas y medianas, teniendo el caso más crítico en la locomotora C 30-7, la cual tiene una velocidad máxima de marcha, según el fabricante de 105 kph, pero 9.

(25) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. debido a su elevado peso (149t) esta velocidad se ha restringido a 70kph, ya que bajo la influencia del coeficiente dinámico, generado por la marcha del equipo, la carga transmitida a la traviesa supera la admitida en el diseño de las vías en Cuba. Las normativas de carga máxima de circulación en las vías férreas en Cuba se encuentran reguladas según la NRMT 157: 1985 Transporte Ferroviario. Tipos de superestructuras de la vía férrea. Parámetros principales, como se muestra en la tabla1.1: Tabla1.1: Parámetros de explotación. No Parámetro. Tipos de Superestructuras Trocha UM. 1435 mm Ia. IIa. IIIa. IVa. <1435 mm IIIb IVb. 1. Velocidad máxima del tren de pasajeros con coche motor o km/h 140 100 80 60 60 30 unidades múltiples. 2 Velocidad máxima del tren de km/h 100 80 60 40 40 20 pasajeros con locomotora 3 Velocidad máxima del tren de km/h 70 60 50 30 30 15 carga 4 Carga máxima por eje de kN 210 210 210 210 100 100 vagones de pasajeros, coches t/eje 21 21 21 21 10 10 motores y unidades múltiples 5 Carga máxima por eje de kN 210 210 210 210 120 120 locomotora para tren de t/eje 21 21 21 21 12 12 pasajeros. 6 Carga máxima por eje de kN 230 210 210 210 120 120 locomotora para tren de carga t/eje 23 21 21 21 12 12 7 Carga máxima por eje de kN 210 210 210 210 100 100 vagones de carga t/eje 21 21 21 21 10 10 Nota: La notación empleada para los tipos de superestructuras tiene el significado siguiente: Números romanos I, II, III; IV se corresponden con las categorías de vías férreas establecidas en la NC 249:2003, las letras a y b. implican las variantes de. superestructuras para cada categoría de vía. La vía es un conjunto de elementos donde todos juegan un papel importante y de la selección del óptimo, depende el correcto diseño de la misma, por ello para su. 10.

(26) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. concepción se debe tener en cuenta, además el tipo de riel a utilizar, los que se identifican según su peso métrico. El peso métrico del carril es el parámetro fundamental que refleja sus características resistentes; por ello en la denominación de los carriles se emplea como parámetro esencial su peso lineal. Así se tienen los carriles rusos P-50, P-65, P-75 o los carriles UIC-54, UIC-60, y UIC-71, donde el número indica el peso métrico aproximado. En la medida en que ha aumentado el peso de los carriles, también ha aumentado su esbeltez, incrementándose la relación (Inercia vertical / Peso) más rápidamente que el propio peso métrico, por lo que el aumento del momento de inercia vertical es superior. Sin embargo, la relación (Inercia transversal / Peso) se incrementa con menor rapidez que el peso. Los criterios que se desarrollan para la elección del carril tienen en cuenta, fundamentalmente el tonelaje bruto diario o los millones de toneladas brutas que se esperan circulen por la vía y difieren bastante entre las distintas administraciones ferroviarias, como se puede observar en la tabla 1.2. Tabla 1.2. Criterios para la selección del carril en diferentes administraciones ferroviarias. País u Organización. Francia. Rusia. Estados Unidos. Unión Internacional de Ferrocarriles. (UIC). Circulación de carga. [TBr/Día] 14 000 14 000 – 30 000 > 30 000 [MTBr/año] < 25 ≥ 25 - 50 > 50 [MTBr/año] <9 ≥ 9 - 18 > 18 - 32 > 32 [TBr/Día] < 30 000 ≥ 30 000 – 60 000 > 60 000. Peso métrico del carril. [kg/m] 46 50 60 [kg/m] 50 65 75 [kg/m] 57 65 70 76 [kg/m] 46 - 50 50 - 60 60 - 71 11.

(27) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Estas recomendaciones son consecuencia de estudios económicos comparando no sólo las tensiones admisibles en el carril, sino la incidencia del incremento de su peso en la reducción de las tareas de mantenimiento y reparación. A manera de ejemplo se puede citar el estudio realizado en Estados Unidos en los años 60, donde colocaron en dos tramos de igual longitud carriles de 55 y 65 kg/m. A pesar que los carriles de 65 kg/m resultaban más caros para la inversión inicial, al final del estudio, la economía obtenida de la reducción en los trabajos de mantenimiento y conservación representaban ganancias. Se han presentado numerosas formulaciones empíricas para obtener el peso métrico recomendable para el carril. Desde la fórmula propuesta en el Congreso del Cairo en 1968, Schramm, Yershov, Shulga, y Shajunianz, han encontrado aplicaciones y detractores. Sin embargo, la expresión propuesta por el profesor G.M. Shajunianz, resulta la más completa, al tener en cuenta la calidad del acero del carril, el tráfico anual esperado, la carga por eje y la velocidad de circulación. El resto de las expresiones son de fácil aplicación pero no poseen la integralidad que ofrece la expresión de del profesor Shajunianz, que se expresa como:.  T  qC  a1  4 0  1  0,0432 VO PO 101 C  . . . 2 3. Dónde: qc – Peso métrico del carril. [kg/m] a – Parámetro que depende del tipo de equipo que circula. a = 1,13 para locomotoras. a = 1,2 para vagones. To – Intensidad de tráfico anual. [M TBr km/km. año] λc – coeficiente que tiene en cuenta la calidad del acero del carril. Para carriles con tratamiento térmico o carriles naturalmente duro, λc = 1,5 Para carriles normales λc = 1 Vo – Velocidad máxima del movimiento. [m/s]. Po – Carga estática en la rueda. [kN].. 12.

(28) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. El cálculo se puede desarrollar para el equipo más desfavorable o teniendo en cuenta todos los equipos que circulan por el tramo de estudio. En Cuba, la NR MT 157 – 1985 se plantea que para intensidad de tráfico entre > 5 M TBr km/km año, se construye la superestructura con carril de 50 kg/m mientras que en vías con tráfico inferior se utiliza carril P – 43. En el país se promueve la estandarización del carril P50 para las vías categoría I, el uso de carril mayor al de 50 kg/m solo se permite mediante una evaluación técnica – económica, el carril P43 es utilizado para ramales, por lo que se hace inminente en el momento de diseñar conocer las características de cada uno de los rieles que se emplee según la categoría de vía. La tabla que se muestra a continuación recoge las principales características a tener en cuenta en la hora del diseño, para la selección de los carriles.. 13.

(29) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada” Tabla 1.3. Características generales de los principales carriles en uso en la práctica internacional y en Cuba.. Denominación. Masa. Altura. Ancho del patín. Ancho de la cabeza. Ancho del alma. Área de la sección. mm. cm2. Momento Inercia. Modulo Resistente. Horizontal. Vertical. Vertical. cm4. cm4. cm3. Horizontal cm3. kg/m. mm. mm. mm. UIC-54. 54,43. 159. 140. 70/72,2. 16. 69,34. 2346. 417,50. 279,19. UIC-60. 60,34. 172. 150. 72/74,3. 16,5. 76,86. 3055. 512,9. 335,5. 68,4. UIC-71. 71,27. 186. 160. 74/76,5. 18. 90,79. 4151,66. 735,06. 499,73. 91,9. P-43. 44,653. 140. 114. 70/70. 14,5. 57,00. 1489. 260. 208,3. 217,3. P-50. 51,67. 152. 132. 70/72. 16. 65,93. 2018. 375. 248. 57. P-65. 64,72. 180. 150. 73/75. 18. 82,56. 3548. 569. 359. 76. P-75. 74,41. 192. 150. 71,8/75. 20. 93,06. 4490. 661. 432. 88. . Ancho de la cabeza: El valor del denominador corresponde a la parte inferior de la cabeza.. . El momento de inercia vertical es calculado respecto al eje horizontal y el momento de inercia horizontal se calcula respecto al eje vertical.. . El módulo de la sección horizontal está referido al eje vertical al lado del patín del carril.. . El módulo de la sección vertical está referido al eje sobre la cabeza del carril.. 14.

(30) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Otro componente de la vía férrea a tener en cuenta a la hora del diseño son las capas de asiento, que están constituidos diferentes materiales granulares sobre los que reposa el emparrillado de la vía férrea. Generalmente lo identificamos como balasto. A pesar de que el balasto formo parte muy pronto de la estructura de la vía férrea no puede afirmarse que su historia se inicie con la del ferrocarril en cuanto a su conocimiento como elemento estructural se refiere, ya que su desarrollo no ha sido paralelo al de otros componentes de la vía. La constitución de la estructura de asiento de la vía férrea se ha resuelto empíricamente y con poca precisión hasta hace relativamente poco. Como consecuencia de la construcción de las vías de alta velocidad desde los años 80 del siglo XX, se desarrollaron series de estudios teóricos y experimentales para determinar con precisión la constitución idónea de las capas de asiento. Los estudios teóricos se fundamentaron en el cálculo de sistemas monocapa o multicapas a partir de la teoría de Boussinesq, estableciéndose un modelo matemático que fue calibrado a partir de los ensayos realizados en las vías. El espesor de las capas de asiento depende de varios factores: . Parámetros de explotación de la vía, (velocidad de circulación de los trenes, cargas por eje, intensidad de tráfico). . Características del emparrillado de la vía, (espaciamiento entre traviesas, peso métrico de los carriles).. . Características geotécnicas del suelo de la plataforma.. . Condiciones climáticas e hidrogeológicas prevalecientes en la zona de emplazamiento.. Atendiendo a su lugar dentro de la superestructura de la vía férrea, entre los elementos más resistentes, (emparrillado carriles-traviesas) y el menos resistente, (plataforma de la vía), las funciones de las capas de asiento se resumen como: . Repartir uniformemente sobre la plataforma las cargas que recibe de la traviesa, de forma tal que su tensión admisible no sea superada.. . Estabilizar la vía en las direcciones vertical, longitudinal y transversal. 15.

(31) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. . Amortiguar mediante su estructura pseudoelástica, las acciones dinámicas de los vehículos sobre la vía.. . Proteger la plataforma de las variaciones de humedad debidas al medio ambiente. Facilitar la evacuación de las aguas pluviales.. . Permitir la recuperación de las calidades geométricas y estructurales de la vía mediante operaciones de alineación, nivelación y limpieza.. En Cuba el balasto se fabrica de piedra triturada con fracciones desde 19,1 a 63,5 mm; las piedras de tamaño inferior se utilizan solamente en patios y ramales secundarios. La Norma Cubana 197: 2004 Transporte Ferroviario. Vías Férreas. Balasto de piedra triturada. Especificaciones, regula la granulometría en dos fracciones, de 63,5 mm a 38,1mm y de 38,1mm a 19,1 mm, diferenciando la granulometría de las rocas ígneas a la de las rocas calizas. En las Fig. 1.1 y Fig. 1.2 se presentan los gráficos granulométricos para balasto Clase 1 y Clase 2, de fracción 19,1mm – 63,5 mm. Fig. 1.1. Gráfico granulométrico del balasto Clase 1. Fracción 19,1 mm - 63,5 mm. 100. 100. 90. 100 90. 80. 75. % Pasado.. 70 60 50. 50. 40 30 20. 15. 10. 5. 1.5. 0 0. 10. 20. 0 30 40 50 Tamaño de los tamices [mm].. 60. 70. 80. 16.

(32) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Fig. 1.2. Gráfico granulométrico del balasto Clase 2. Fracción 19,1 mm - 63,5 mm. 100. 100. 100. 90 80. 85. 80. % Pasado.. 70 60 50 40. 35. 30. 25. 20 10. 8. 1.5. 0 0. 10. 20. 30 40 50 Tamaño de los tamices [mm].. 60. 70. 80. En las Fig. 1.3 y Fig. 1.4 se presentan los gráficos granulométricos para balasto Clase 1 y Clase 2, de fracción 19,1mm – 38,1 mm.. Fig. 1.3. Gráfico granulométrico del balasto Clase 1. Fracción 38,1 mm - 19,1 mm. 100. 100. 90. 100. 90. 80 % Pasado.. 70 60. 55. 50 40 30 20. 15. 10. 20. 5. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. 55. Tamaño de los tamices [mm].. 17.

(33) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Fig. 1.4 Gráfico granulométrico del balasto Clase 2. Fracción 38,1 mm - 19,1 mm. 100. 100. 100. 90 85. 80 % Pasado.. 70 60. 60. 50 40 30. 25. 25. 20 8. 10 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. 55. Tamaño de los tamices [mm].. Las diferencias por la naturaleza de las rocas, ígneas o calizas, se establecen a través de los índices de resistencia, el porciento de partículas planas y alargadas y de terrones de arcilla. Los indicadores de calidad para el balasto se presentan en la tabla 1.4. Indicadores de calidad. Balasto de roca ígnea, y la tabla 1.5 Indicadores de calidad. Balasto de roca caliza. Tabla 1.4. Indicadores de calidad. Balasto de roca ígnea.. Índices de calidad.. Clase del balasto Clase 1. Clase 2. Resistencia mínima a la compresión (seca). [MPa]. 110. 90. Resistencia mínima a la compresión (saturada). [MPa]. 90. 77. Abrasión. [%]. 20 (máx). 25 (máx). Partículas planas y alargadas. [%]. 20 (máx). 25 (máx). Terrones de arcilla. [%]. 0,25 (máx). 0,25 (máx). Porciento que pasa por el tamiz (No 200). [%]. 1,0 (máx). 1,0 (máx). 18.

(34) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada” Tabla 1.5. Indicadores de calidad. Balasto de roca caliza. Índices de calidad.. Clase del balasto Clase 1 90. Clase 2 77. 77. 60. Abrasión. [%]. 28 (máx). 35 (máx). Partículas planas y alargadas. [%]. 15 (máx). 20 (máx). Terrones de arcilla. [%]. 0,25 (máx). 0,25 (máx). Porciento que pasa por el tamiz (No 200). [%]. 1,0 (máx). 1,0 (máx). Resistencia mínima a la compresión (seca). [MPa] Resistencia mínima a la compresión (saturada). [MPa]. La tabla 1.6 presenta la resistencia a compresión del material para balasto en las diferentes canteras existentes en Cuba. Tabla 1.6. Relación de cantera que producen balasto en Cuba.. Provincia. Cantera. Grupo. Resistencia a compresión [MPa] 64,4. Pinar del Río. Reynaldo Mora. Caliza Silificada. Pinar del Río. Elpidio Berovides. Caliza. 65,0. Habana Matanzas Matanzas. La Molina A. Maceo 5 de Diciembre. Caliza Caliza Dolomitizada Caliza Dolomita Calcárea. 60,0 49,2 54,0. Cienfuegos. Santiago Ramírez. Ígnea Porfiro Andesítico. Villa Clara Mariano Pérez Ciego de Ávila José San Mateo. 60,0 – 10,0. Camagüey. Palo Seco. Camagüey. Vietnam Heroico. Caliza Porfirita Dacito Andesítica Ígnea Ígnea Porfiro Andesítico basáltica Caliza. 81,7 136,0. Camagüey Camagüey. Luis A. Turcios Lima Jesús Suárez Gayol. Ígnea basalto Ígnea. Las Tunas. José Rodríguez. Caliza. 40,0 – 60,0. Granma. Ramón Viamontes. Caliza. 52,9. S. de Cuba. Los Guaos. Ígnea Porfiro Andesítico. 160,0 – 196,0 44,3 – 75,9 110,0 – 180,0 110,0. 80,0 – 120,0. 19.

(35) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Para el diseño de la vía férrea es necesario tener en cuenta el aporte resistente que brinda de la capa de asiento, para lo cual se tiene en cuenta el coeficiente de balasto, que se define como la carga que actuando sobre una superficie, provoca una deformación unitaria en la vía. Este coeficiente pretende reflejar el comportamiento de la vía bajo la acción de cargas superficiales y toma valores que oscilan entre 1 y 50 kg/cm 3. Tanto el módulo de la vía, como su rigidez dependen del tipo de estructura o sea, tipo de carril, traviesa y espaciamiento entre ellas, del espesor de balasto y debe obtenerse de manera experimental, sin embargo, el factor de mayor incidencia en su variación es la naturaleza de la plataforma, estableciéndose los valores de referencia que se presentan en la tabla 1.7. Tabla 1.7. Rigidez de la vía atendiendo a las características de la plataforma. Tipo de plataforma Vía sobre balasto y suelo helado Vía sobre plataforma en roca o grava Vía sobre plataforma arcillosa Vía sobre plataforma pantanosa Vía sobre plataforma rígida (puentes). Rigidez de la vía ρ [kN/mm] 80 - 100 20 - 80 15 - 20 5 – 15 120 - 150. En la tabla 1.8 se presenta la correspondencia entre calidad de la plataforma y los valores del coeficiente de balasto y la rigidez de la vía. Tabla 1.8. Calidad de la plataforma Mala Mediocre Aceptable Buena. C [kg/cm3] 2 2-9 10 - 17 ≥ 18. ρ[kN/mm] 5 5 - 10 10 - 30 ≥ 30. Los métodos existentes para evaluar los esfuerzos en los elementos de la superestructura, originados por la circulación de los vehículos ferroviarios, utilizan algunos parámetros elásticos; suponiendo su comportamiento uniforme a lo largo de la vía. 20.

(36) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. En Francia, para desarrollar los cálculos de las vías de alta velocidad se toman valores de ρ entre 50 y 60 kN/mm. En Cuba se realizaron mediciones en el año 1989. Como resultado de esa investigación el Dr. en Ciencias Técnicas Juan Urra Bravo recomendó utilizar los siguientes valores de Módulo de Elasticidad, para vías con traviesas de hormigón, en función de la cantidad de traviesas por kilómetro. Tabla 1.9. Valores del módulo de la vía con traviesas de hormigón. Cantidad de traviesas por kilómetro 2000 1840 1600 1440. U (MPa) 102 93 81 72. 1.3.1.1 Determinación de solicitaciones actuantes en la vía. Para determinar la resistencia y estabilidad de la vía resulta necesario, ante todo, conocer las diferentes fuerzas que pueden actuar sobre la vía. Teóricamente la vía debería resistir solamente esfuerzos procedentes del peso de los vehículos y la acción de la fuerza centrífuga. de las curvas. En realidad, los esfuerzos son mucho. mayores que los debidos a estas cargas normales. Las causas principales del incremento de los esfuerzos se deben a las características constructivas de la vía y de los vehículos que circulan sobre la misma y el grado de mantenimiento tanto de la vía como de los vehículos. En cuanto a la seguridad y la economía, existen exigencias a la vía, que son las mencionadas a continuación: la resistencia a todos los esfuerzos (resistencia); la. no. adquisición. de deformaciones. permanentes. (estabilidad). y. la. mayor. durabilidad posible de todos sus elementos. Esta duración tiene una gran importancia económica, ya que los gastos de mantenimiento. de la. vía. representan. del. 10. al. 15%. de. los. gastos. de. explotación del ferrocarril. Estos se incrementan, sobre todo en vías con gran intensidad. de. tráfico,. cuando. determinados elementos presentan desgaste. prematuro y deben ser renovados con mayor frecuencia que los otros, en comparación con el caso dónde todos los elementos se desgastan en la misma medida y pueden, 21.

(37) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. por tanto, ser renovados simultáneamente. Por lo tanto, se debe tener en cuenta el desgaste uniforme de los elementos al calcular las dimensiones y seleccionar los materiales. (Ing. Gustavo Cobreiro, 2010) Analizando primeramente las fuerzas que actúan sobre la vía férrea. . Según el plano en que actúan:.  Fuerza vertical. Están dadas por la carga estática y por la carga dinámica que ejercen sobre la vía tensiones y desgastes en los diferentes elementos, y defectos de nivelación.  Fuerza horizontal longitudinal. La más importante de todas, debido a los grandes valores que puede alcanzar, es la que procede por los cambios de temperatura, golpes en la cabeza de los carriles en las juntas, la fuerza tractiva. de las. locomotoras aplicada sobre el carril, la fuerzas de frenado aplicado al carril por los vehículos ferroviarios y la deformación elástica de la vía. Fuerza horizontal transversal. Estas fuerzas se producen tanto en recta como en curva. En recta son originadas por el serpenteo de los vehículos y por los defectos de la vía (ancho de vía y alineación) y por los correspondientes al material móvil. En los tramos en curva surgen estas fuerzas contra el carril exterior, cuando la velocidad de circulación es mayor que la velocidad de diseño del peralte y contra el carril interior cuando la velocidad de circulación es menor que la velocidad de diseño del peralte. Los efectos principales sobre la vía de estas fuerzas son el desgaste lateral de los carriles, la tendencia a volcar los carriles, aflojando las fijaciones y los defectos en la alineación y el ancho de la vía. . (Ing. Gustavo Cobreiro, 2010). Como segundo paso se determina las tensiones producidas en los diferentes elementos de la estructura de la vía férrea. . Procediendo a determinar las cargas verticales sobre el carril.. . Determinación de las solicitaciones sobre el carril (M y Q).. . Determinación de las tensiones en el carril debido a su flexión vertical.. . Momento flector sobre el carril debido a una carga aislada.. . Momento flector en sección de cálculo situada a una distancia x de la carga. 22.

(38) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. . Momento flector sobre el carril debido a un sistema de cargas. Para determinar el valor del momento flector, producido por el sistema de cargas en cualquier sección del carril se puede utilizar la línea de influencia de los momentos flectores y el principio de superposición.. . Determinación de las tensiones de compresión en la traviesa. Para la determinación de la carga transmitida a las traviesas (cortante en el carril) se utiliza la línea de influencia del cortante. o Cortante en una sección bajo la carga. o Cortante en una sección sobre traviesa situada a una distancia xi de la carga. o Cortante debido a un sistema de cargas.. Realizados los análisis correspondientes de las solicitaciones en la vía y obtenidos sus valores, se procede al diseño de la estructura de la traviesa, por medio de la utilización de métodos de diseño de estructuras de hormigón pretensado.. 1.3.2. Método del diseño estructural utilizado en Cuba. El siguiente método procede del Manual de Diseño del Instituto de Hormigón Postensado y Pretensado, (PCI) según sus iniciales en inglés, avalado en su sexta edición en el año 2004, y el cual se aplica en nuestro país para el diseño y revisión de estructuras de hormigón pretensado. 1.3.2.1.. Introducción a la técnica del pretensado.. Las traviesas o durmientes que analizamos en este estudio son las prefabricadas por medio de la técnica del pretensado, para lo cual comenzaremos enunciando algunas definiciones y características a tener en cuenta cuando trabajamos estos tipos de elementos. Se denomina hormigón pretensado, a la tipología de construcción de elementos estructurales de hormigón sometidos intencionadamente a esfuerzos de compresión previos a su puesta en servicio. Dichos esfuerzos se consiguen mediante alambres o cables de acero que son tensados y anclados al hormigón.. 23.

(39) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Esta técnica se emplea para superar la debilidad natural del hormigón frente a esfuerzos de tracción y fue patentada por Eugène Freyssinet en 1920. El objetivo es el aumento de la resistencia a tracción del hormigón, introduciendo un esfuerzo de compresión interno que contrarreste en parte el esfuerzo de tracción que producen las cargas de servicio en el elemento estructural.. Figura 1.5 Esquema de deformaciones. Normalmente al aplicar esta técnica, se emplean hormigones y aceros de alta resistencia, dada la magnitud de los esfuerzos inducidos. 1.3.2.2. Clasificación del hormigón pretensado Son muy diversas las maneras de clasificar al pretensado, sin embargo, para los fines propios de cálculo y diseño de tales elementos, resulta suficiente definir su clasificación a partir de las siguientes razones: a) Atendiendo a la posición del refuerzo en el interior de la sección. b) Atendiendo al momento en que se estiran los tendones respecto del momento en que se efectúa el hormigonado. c) Atendiendo a las condiciones de adherencia de los tendones. d) Atendiendo a la ubicación del tendón respecto de la sección transversal del elemento. e) Atendiendo a la magnitud de las tensiones que tienen lugar en la fibra extrema en tracción ubicada hacia la zona precomprimida cuando actúan las cargas de servicio. A continuación se explica brevemente en qué consiste cada uno. 24.

(40) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. 1.3.2.2.1. Atendiendo a la posición del refuerzo en el interior de la sección. La posición del refuerzo en la sección da lugar al pretensado centrado y al pretensado excéntrico. El pretensado centrado corresponde al caso en que los tendones de pretensado estén localizados en la sección de modo que la resultante de sus fuerzas (aplicada cada una a nivel del centroide de cada acero), coincida con el centroide de la sección de hormigón. Cuando la resultante de las fuerzas en los cables o alambres no llega a coincidir con el centroide de la sección de hormigón, se dice que es un caso de pretensado excéntrico. En la figura siguiente se muestran las dos clasificaciones enunciadas. Figura 1.6. 1.3.2.2.2. Atendiendo al momento de tesar la armadura respecto del momento de hormigonado. Se distinguen dos procedimientos diferentes. Ambos tienen que ver con el momento en que se produce el tesado o estiramiento del acero de pretensado respecto del momento en que se coloca el hormigón, o sea, si el tesado se realiza antes o después del endurecimiento del hormigón. Se clasifica entonces en hormigón pretensado o con armadura pretesa, y hormigón postensado o con armadura postesa, respectivamente 25.

(41) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. En el hormigón pretensado con armaduras pretesas, el hormigón se vierte alrededor de tendones tensados. Este método produce un buen vínculo entre el tendón y el hormigón, el cual protege al tendón de la oxidación, y permite la transferencia directa de tensión. El hormigón curado se adhiere a las barras, y cuando la tensión se libera, es transferida hacia el hormigón en forma de compresión por medio de la fricción. Sin embargo, se requieren fuertes puntos de anclaje exteriores entre los que el tendón se estira estando estos generalmente en una línea recta. Por lo tanto, la mayoría de elementos pretensados de esta forma son prefabricados en taller y deben ser transportados al lugar de construcción, lo que limita su tamaño. (kiwix, 2013) Elementos pretensados pueden ser elementos balcón, dinteles, losas de piso, vigas de fundación o pilotes, durmientes de ferrocarril, etc. La resistencia a la tracción del hormigón convencional, es muy inferior a su resistencia a la compresión, del orden de 10 veces menor. Teniendo esto presente, es fácil notar que si deseamos emplear el hormigón en elementos, que bajo cargas de servicio, deban resistir tracciones, es necesario encontrar una forma de suplir esta falta de resistencia a la tracción. Normalmente la escasa resistencia a la tracción se suple colocando acero de refuerzo en las zonas de los elementos estructurales dónde pueden aparecer tracciones. Esto es lo que se conoce como hormigón armado convencional. Esta forma de proporcionar resistencia a la tracción puede garantizar una resistencia adecuada al elemento, presenta escasa o nula fisuración permitiendo aceptar la sección total como efectiva, conduciendo a una mayor rigidez y por tanto a menores deflexiones, además permite utilizarse de forma eficiente los hormigones de altas prestaciones, solamente con ajustar la fuerza del pretensado. Con el presfuerzo el volumen de la armadura transversal puede reducirse apreciablemente, por un lado la. precompresión del. hormigón aumenta su capacidad resistente a cortante y reduce la tendencia del agrietamiento inclinado, y por otro el uso de tendones curvos produce una componente vertical que contrarresta el cortante externo, reduciendo así el consumo de acero en la armadura transversal. De todas estas características que presenta el pretensado se derivan ventajas tales como: 26.

(42) Capítulo I “Referentes históricos de la traviesa .Condiciones generales del diseño de traviesa monobloque pretensada”. Se alcanza disminuir la sección transversal de los elementos, a su vez que se alcanzan de mayores luces con elementos de menor peso propio, la fisuración llega a ser nula o controlada. (Dr. Ing. Julio A. Hernández Caneiro, 2011) A su vez el uso del pretensado acarrea desventajas provenientes mayormente del uso de tecnologías y materiales exclusivo para este método, lo que lo hace más costoso. Además deben revisarse más condiciones de diseños y recurrir a un control más estricto durante el periodo de ejecución. Por otro lado es de vital importancia a la hora de diseñar para el empleo de esta técnica, aspectos como, las concentraciones de tensiones y las perdidas recurrentes, compatibilidad de las deformaciones con las estructuras adyacentes, el pandeo de los elementos pretensados, las propiedades de las secciones, etc. 1.3.2.2.3. Atendiendo a las condiciones de adherencia del tendón. Pretensado adherente: Se refiere a un pretensado mediante el cual se asegura adherencia “perfecta” entre el hormigón y el acero de refuerzo. El pretensado con armadura pretesa (pretensado) es siempre adherente, a no ser que imprecisiones de ejecución (engrase involuntario de los tendones, por ejemplo) conduzcan a que se pierda la adherencia entre el hormigón y el acero. Por su parte, el pretensado con armadura postesa (postensado) será adherente siempre que se inyecten los conductos con lechadas de cemento que proporcione una adecuada adherencia entre hormigón y acero. Pretensado no adherente: En este caso se procura voluntariamente romper la adherencia entre el hormigón y el acero, es el caso del postensado en el que se utilizan protecciones voluntarias de la armadura que impidan la adherencia entre hormigón y acero, o también cuando los tendones se ubican fuera de la sección de hormigón. Este tipo de pretensado está tomando mucho auge en la ingeniería moderna, especialmente para la ejecución de losas y placas de hormigón, entre otras razones porque facilita la posibilidad de restirar el acero para devolverle su nivel de tensión inicial cuando las pérdidas llegan a consumir una parte importante de esta tensión.. 27.