Evolução da Infraestrutura Ferroviária e o Papel do Lastro

Las actividades mineras del carbón llevadas a cabo en Inglaterra en el siglo XVII dieron origen a los ferrocarriles, donde los primeros transportes utilizaban tracción animal en vehículos orientados sobre raíles. Además, la invención de la máquina de vapor propició importantes avances en la infraestructura ferroviaria, creando los primeros prototipos de locomotoras y permitiendo la tracción mecánica en vagones de mercancías.

Los primeros ferrocarriles tenían las vías apoyadas sobre bloques rígidos y, en algunos casos, directamente sobre el suelo. Sin embargo, este modelo de construcción presentaba varios problemas en cuanto a la durabilidad de la vía. Para remediarlos, los ingenieros de la época se dieron cuenta de que hacían falta soportes más resistentes, capaces de absorber los impactos de la explotación.

Para mejorar la resistencia de los elementos de infraestructura de la vía permanente, se definió la necesidad de un conjunto de traviesas y balasto. Para que un material pueda utilizarse como balasto, debe tener características como:

• • Resistencia, rigidez adecuada y capacidad para distribuir las tensiones de funcionamiento;

• • Capacidad para soportar y proporcionar estabilidad a los esfuerzos laterales y longitudinales y para mantener la geometría de la calzada;

• • Capacidad para drenar el agua de lluvia.

La importancia de estos elementos en la infraestructura ferroviaria es, por tanto, evidente, y debe cuidarse tanto su correcto dimensionamiento como su mantenimiento durante la explotación.

El paso de vagones y coches de pasajeros genera tensiones longitudinales, laterales y verticales debido al contacto rueda-carril, transfiriendo así cargas a las traviesas y al balasto de la vía permanente. Estas cargas provocan el deterioro del balasto, generando elementos más finos y modificando el módulo de la vía. Conocer las cargas ayuda a definir los parámetros de mantenimiento.

 

Entendendo os Efeitos de Yaw, Pitch e Roll nas Cargas Ferroviárias

La definición de las cargas verticales que actúan sobre la vía permanente se calcula estáticamente, utilizando el peso del vagón y sus componentes más su carga material. Sin embargo, existen los movimientos dinámicos del vagón de guiñada, cabeceo y balanceo. Cada uno de estos movimientos se caracteriza por rotaciones en torno a los 3 ejes del vagón y se producen debido a la transferencia de masa del sistema de amortiguación y a la propia dinámica ferroviaria, disminuyendo o aumentando las cargas sobre las ruedas, como se muestra en la Figura 1 y en la Figura 2.

Figura 1: Eixos de rotação de yaw, pitch e roll.
Fonte:FUNCTIONALITY ANALYSIS OF DERAILMENT CONTAINMENT PROVISIONS THROUGH FULL-SCALE TESTING—I: COLLISION LOAD AND CHANGE IN THE CENTER OF GRAVITY. Applied Sciences, v. 12, n. 21, 2022. Disponível em: https://www.mdpi.com/2076-3417/12/21/11297. Acesso em: 26 nov. 2024.

Figura 2: Reducción/aumento de la carga de las ruedas debido a los efectos dinámicos del vagón.

Este cambio de carga, también conocido como factor de amplificación dinámica _(Fd), se define como la relación entre la carga dinámica _(Cd) y la carga estática_(Ce), tal y como se muestra en la siguiente ecuación.

Estos valores de carga pueden variar a lo largo de la vía férrea debido a la degradación del balasto existente, a factores geotécnicos de la región y a cambios en la rigidez del sistema, como la entrada y salida de puentes ferroviarios, defectos en la vía y en el material rodante. Para obtener los valores reales de los coeficientes de amplificación, es posible realizar un estudio experimental para recoger datos in situ a lo largo de la vía férrea. Vea a continuación uno de los proyectos de Kot.

 

Case de sucesso: Determinação do fator de amplificação dinâmico de uma ferrovia

Para recoger datos sobre los factores dinámicos de amplificación durante el paso de los trenes por la vía, se instalaron galgas extensométricas en el carril, como muestra la figura 3.

Figura 3: Puntos de instrumentación.

La adquisición de datos permitió comprobar la deformación del carril provocada por las cargas verticales debidas al paso de cada rueda del tren, como se muestra en la figura 4. Con estos datos se puede realizar un análisis de elementos finitos y aplicar las cargas para comprobar las traviesas y el balasto en la zona analizada.

Figura 4: Perfil de deformación típico medido en las 4 ruedas de un vagón.

Para definir las cargas estáticas, un tren cargado pasó por el lugar instrumentado a una velocidad de 5 km/h. A partir de estos datos, se recogieron los valores de carga en los raíles de 20 ruedas para obtener las tensiones estáticas medias con el fin de eliminar posibles efectos de desequilibrio de la carga, defectos de las ruedas, entre otros.

Tras definir las cargas estáticas, se midió el tren a las velocidades de funcionamiento en el tramo para recoger datos sobre el factor dinámico de la vía en cuestión.

Mediante cálculos estadísticos, se definieron los límites superiores de control y la media de los datos para la construcción del gráfico de la figura 5, que se muestra a continuación.

Figura 5: Valores del factor dinámico obtenidos durante el estudio.

 

Impacto da Medição de Cargas na Manutenção de Ferrovias

La recogida de datos permitió verificar las cargas reales que actúan sobre los componentes de la vía permanente. El mayor factor de amplificación de carga encontrado en la sección evaluada fue de 1,3, lo que está en consonancia con la bibliografía (véase la Figura 6) para velocidades de hasta 60 km/h, como las adoptadas en los ferrocarriles brasileños.

Figura 6: Factores de amplificación dinámica x velocidad según las normas internacionales.

Los factores dinámicos inferiores a 1 son esperables y normales, y no corresponden necesariamente a valores irreales. Los vagones tienen varios modos de cuerpo rígido, como los movimientos de cabeceo y balanceo, además de las cargas de impacto que actúan sobre los enganches, que provocan excitaciones, lo que se traduce en variaciones de las cargas que actúan sobre los bogies.

 

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