catenaria 4def8a7b564ab

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE

SUSTENTACIN DE CATENARIAS

FERROVIARIAS

Autor

Antonio Arellano Pulido

Directores de Proyecto

Jess R. Jimnez Octavio

Cristina Snchez Rebollo

Madrid

Junio 2011

ndice general

ndice general I

ndice de tablas IV

ndice de guras VII

1. Introduccin 1

1.1. Motivacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3. Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Estado del Arte 5

2.1. Geometras bsicas de la mnsula . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2. Geometras bsicas del poste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3. Patentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3. Descripcin de la catenaria 14

3.1. Descripcin mecnica de la catenaria . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2. Parmetros a considerar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2.1. Alturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4. Diseo ptimo de la mnsula 29

4.1. Cargas a considerar en la mnsula . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.1.1. Cambio de condiciones en conductores . . . . . . . . . . . 33

I

NDICE GENERAL II

4.1.2. Cargas permantentes verticales . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1.3. Cargas permanentes horizontales . . . . . . . . . . . . . . 36

4.1.4. Cargas variables verticales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1.5. Cargas variables horizontales . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.1.6. Reglamento de clculo de lneas areas de A.T. en Espaa 39

4.2. Aisladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.3. Tubo superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.4. Tubo en mnsula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.5. Tubo diagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.6. Brazo de regristro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.7. Brazo de atirantado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.7.1. Inuencia de la elevacin del brazo de atirantado sobre el

pendolado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.7.2. Calculo de la elevacion del brazo de atirantado . . . . . . . 46

4.7.3. Rendimiento del brazo de atirantado . . . . . . . . . . . . 47

4.8. Tirante del brazo de registro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.9. Contraviento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.10. Vericacin de los elementos que componen la mnsula . . . . . . 48

5. Diseo ptimo del poste 51

5.1. Geometra general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1.1. Modelo 1: Poste con perles en U . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1.2. Modelo 2: Poste con perl en H . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2. Cargas a considerar en el poste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2.1. Carga de la mnsula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2.2. Feeder de acompaamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.2.3. Cargas de viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.2.4. Cargas de hielo o nieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.3. Flecha en el extremo de un poste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

NDICE GENERAL III

5.4. Vericacin de los elementos que componen el poste . . . . . . . . 58

5.4.1. Vericacin de secciones simples de acero . . . . . . . . . . 58

5.4.2. Vericacin de los elementos triangulados . . . . . . . . . . 61

5.4.3. Vericacin de las barras de seccin compuesta . . . . . . 61

6. Diseo ptimo de los cimientos 63

6.1. Consideraciones previas para el clculo de cimentacin de los apoyos 64

6.2. Caractersticas de los terrenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.3. Coecientes de seguridad al vuelco . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.4. Clculo del momento de vuelco de un macizo Tipo D . . . . . . . 68

6.5. Calculo del momento de vuelco de un macizo Tipo T . . . . . . . 74

7. Resultados 77

7.1. Soporte con atirantado hacia fuera . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7.1.1. Estudio del efecto y la posicin del tubo diagonal . . . . . 78

7.1.2. Estudio del efecto y la posicin del tirante del brazo de

registro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.1.3. Curva con sujeccin en la parte exterior . . . . . . . . . . 84

7.1.4. Tramo recto con atirantado hacia fuera . . . . . . . . . . . 98

7.2. Soporte con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

7.2.1. Estudio del efecto y la posicin del tubo diagonal . . . . . 111

7.2.2. Estudio del efecto y la posicin del tirante del brazo de

registro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

7.2.3. Curva con sujeccin en la parte interior . . . . . . . . . . . 114

7.2.4. Tramo recto con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . 127

Bibliografa 140

A. ATIRANTADO HACIA FUERA 142

A.1. Curva con sujeccin en la parte exterior . . . . . . . . . . . . . . . 142

A.2. Recta con atirantado hacia fuera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

NDICE GENERAL IV

B. ATIRANTADO HACIA DENTRO 154

B.1. Curva con sujeccin en la parte interior . . . . . . . . . . . . . . . 154

B.2. Recta con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

ndice de tablas

3.1. Repositorio de catenarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2. Especicacin de los conductores elctricos empleados . . . . . . . 27

4.1. Tubos empleados en la mnsula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2. Factor de arrastre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.1. Inclinacin distintos tipos de postes . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.1. Resmen de caractersticas de terrenos, segn cuadro num 4 del

Reglamento Tcnico de Lneas Elctricas Areas de Alta Tensin . 66

7.1. Elementos de la mnsula para atirantado hacia fuera . . . . . . . 83

7.2. Tabla de cargas puntuales sobre la mnsula en curva exterior . . . 85

7.3. Vericacin del tubo principal, el tubo superior y el brazo de registro 86

7.4. Vericacin del tubo diagonal en el caso de curva con sujeccin

exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

7.5. Vericacin del tirante del brazo de registro . . . . . . . . . . . . 91

7.6. Vericacin del contraviento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

7.7. Vericacin de los elementos de catlogo . . . . . . . . . . . . . . 92

7.8. Vericacin de los perles en U en curva con soporte exterior . . . 94

7.9. Vericacin de los los elementos de la triangulacin en curva con

soporte exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

7.10. Vericacin del poste de ala ancha en curva con soporte exterior . 97

V

NDICE DE TABLAS VI

7.11. Tabla de cargas puntuales sobre la mnsula en tramo recto con

atirantado hacia fuera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

7.12. Vericacin del tubo principal, el tubo superior y el brazo de registro100

7.13. Vericacin del tubo diagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104




7.17. Vericacin de los perles en U en recta con atirantado hacia fuera 107

7.18. Vericacin de los elementos de la triangulacin en recta con

atirantado hacia fuera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

7.19. Vericacin del poste de ala ancha en recta con atirantado hacia

fuera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

7.20. Elementos de la mnsula para atirantado hacia dentro . . . . . . . 114

7.21. Tabla de cargas puntuales sobre la mnsula en curva interior . . . 115



interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120




7.27. Vericacin de los perles en U en curva con soporte interior . . . 123

7.28. Vericacin de la triangulacin en curva con soporte interior . . . 124

7.29. Vericacin del poste de ala ancha en curva con soporte interior . 125

7.30. Tabla de cargas puntuales sobre la mnsula en curva exterior . . . 128



exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133



NDICE DE TABLAS VII


7.36. Vericacin de los perles en U en recta con atirantado hacia dentro136

7.37. Vericacin de la triangulacin en recta con atirantado hacia dentro136

7.38. Vericacin del poste de ala ancha en recta con atirantado hacia

dentro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.39. Resumen elementos de la mnsula . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

ndice de guras

1.1. Estructura del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1. Mnsula en celosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2. Mnsula tubular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3. Poste perl compuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4. Poste perl compuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5. Estructura de poste de hormign armado . . . . . . . . . . . . . . 10

2.6. Soporte de catenarias con nuevos materiales . . . . . . . . . . . . 10

2.7. Patente Siemens, 2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.8. Patente International Bureau, 2010 . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.9. Patente Hanhe Flywheel Beijing Electric, 2006 . . . . . . . . . . . 13

2.10. Patente Sarubi E Cosa A, 1991 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1. Esquema de la estructura de cables bsica de la catenaria . . . . . 16

3.2. Esquema de descentramiento de la catenaria . . . . . . . . . . . . 19

3.3. Secciones transversales tpicas de cables . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4. Esquemas bsicos de pndolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.5. Esquema bsico de mnsula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.1. Seccin de los tubos de aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2. Mnsula atirantado hacia fuera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.3. Mnsula atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.4. Aisladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

VIII

NDICE DE FIGURAS IX

5.1. Situacin cimentaciones de postes en va . . . . . . . . . . . . . . 52

6.1. Representacin esquemtica de esfuerzos en macizos Tipo D . . . 69

6.2. ngulos de cooperacin de tierras del lado opuesto a la va y del

lado de la va . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.3. Tabla de coecientes de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.4. Dimensiones y momento de vuelco de macizos tipo D . . . . . . . 73

6.5. Macizo trapezoidal descompuesto en partes . . . . . . . . . . . . . 75

6.6. Dimensiones y momentos de vuelco de macizos tipo T . . . . . . . 76

7.1. Inuencia de la posicin del tubo diagonal . . . . . . . . . . . . . 80

7.2. Inuencia de la posicin del tirante del brazo de registro . . . . . 82

7.3. Diagramas del tubo principal de mnsula con accin combinada de

viento y hielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

7.4. Diagramas del tubo superior con accin combinada de viento y hielo 88

7.5. Diagramas del brazo de registro con accin combinada de viento y

hielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7.6. Esquema de cargas sobre el poste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

7.7. Esquema de cargas sobre el poste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

7.8. Diagramas del tubo principal de mnsula con accin combinada de

viento y hielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7.9. Diagramas del tubo superior con accin combinada de viento y hielo101

7.10. Diagramas del brazo de registro con accin combinada de viento y

hielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.11. Inuencia de la posicin del tubo diagonal . . . . . . . . . . . . . 111

7.12. Inuencia de la posicin del tirante del brazo de registro . . . . . 113

7.13. Diagramas del tubo principal de mnsula con accin del hielo . . . 117

7.14. Diagramas del tubo superior con accin del hielo . . . . . . . . . . 118

7.15. Diagramas del brazo de registro con accin mxima del viento . . 119

7.16. Diagramas del tubo principal de mnsula con accin del hielo . . . 129

NDICE DE FIGURAS X

7.17. Diagramas del tubo superior con accin del hielo . . . . . . . . . . 130

7.18. Diagramas del brazo de registro con accin del hielo . . . . . . . . 131

A.1. Diagramas del tubo principal de mnsula con cambio de condi-

ciones en cables en el caso de curva con sujeccin exterior . . . . . 142

A.2. Diagramas del brazo de registro con cambio de condiciones en

cables en el caso de curva con sujeccin exterior . . . . . . . . . . 143

A.3. Diagramas del tubo superior con cambio de condiciones en cables

en el caso de curva con sujeccin exterior . . . . . . . . . . . . . . 143

A.4. Diagramas del tubo principal de mnsula con velocidades mximas

de viento en el caso de curva con sujeccin exterior . . . . . . . . 143

A.5. Diagramas del brazo de registro con velocidades mximas de viento


A.6. Diagramas del tubo superior con velocidades mximas de viento


A.7. Diagramas del tubo principal de mnsula con cargas de hielo en el

caso de curva con sujeccin exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

A.8. Diagramas del brazo de registro con cargas de hielo en el caso de

curva con sujeccin exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

A.9. Diagramas del tubo superior con cargas de hielo en el caso de curva

con sujeccin exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

A.10.Diagramas del tubo principal de mnsula con accin combinada de

viento y hielo en el caso de curva con sujeccin exterior . . . . . . 145

A.11.Diagramas del brazo de registro con accin combinada de viento y

hielo en el caso de curva con sujeccin exterior . . . . . . . . . . . 146

A.12.Diagramas del tubo superior con accin combinada de viento y

hielo en el caso de curva con sujeccin exterior . . . . . . . . . . . 146

A.13.Diagramas del tubo principal de mnsula sin agentes externos en

el caso de curva con sujeccin exterior . . . . . . . . . . . . . . . 146

NDICE DE FIGURAS XI

A.14.Diagramas del brazo de registro sin agentes externos en el caso de


A.15.Diagramas del tubo superior sin agentes externos en el caso de


A.16.Diagramas del tubo principal de mnsula con cambio de condi-

ciones en cables en el caso de recta con atirantado hacia fuera . . 148

A.17.Diagramas del brazo de registro con cambio de condiciones en

cables en el caso de recta con atirantado hacia fuera . . . . . . . . 148

A.18.Diagramas del tubo superior con cambio de condiciones en cables

en el caso de recta con atirantado hacia fuera . . . . . . . . . . . 149













A.25.Diagramas del tubo principal de mnsula con accin combinada de

viento y hielo en el caso de recta con atirantado hacia fuera . . . . 151

A.26.Diagramas del brazo de registro con accin combinada de viento y

hielo en el caso de recta con atirantado hacia fuera . . . . . . . . 151

A.27.Diagramas del tubo superior con accin combinada de viento y

hielo en el caso de recta con atirantado hacia fuera . . . . . . . . 152

NDICE DE FIGURAS XII

A.28.Diagramas del tubo principal de mnsula sin agentes externos en

el caso de recta con atirantado hacia fuera . . . . . . . . . . . . . 152

A.29.Diagramas del brazo de registro sin agentes externos en el caso de

recta con atirantado hacia fuera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

A.30.Diagramas del tubo superior sin agentes externos en el caso de

recta con atirantado hacia fuera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

B.1. Diagramas del tubo principal de mnsula sin agentes externos en

el caso de curva con soporte interior . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

B.2. Diagramas del brazo de registro sin agentes externos en el caso de

curva con soporte interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

B.3. Diagramas del tubo superior sin agentes externos en el caso de


B.4. Diagramas del tubo principal de mnsula con accin de la

temperatura en el caso de curva con soporte interior . . . . . . . . 155

B.5. Diagramas del brazo de registro con accin de la temperatura en


B.6. Diagramas del tubo superior con accin de la temperatura en el

caso de curva con soporte interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

B.7. Diagramas del tubo principal de mnsula con accin mxima del

viento en el caso de curva con soporte interior . . . . . . . . . . . 156

B.8. Diagramas del brazo de registro con accin mxima del viento en


B.9. Diagramas del tubo superior con accin mxima del viento en el

caso de curva con soporte interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

B.10.Diagramas del tubo principal de mnsula con accin del hielo en


B.11.Diagramas del brazo de registro con accin del hielo en el caso de


NDICE DE FIGURAS XIII

B.12.Diagramas del tubo superior con accin del hielo en el caso de


B.13.Diagramas del tubo principal de mnsula con accin combinada de

viento y hielo en el caso de curva con soporte interior . . . . . . . 158

B.14.Diagramas del brazo de registro con accin combinada de viento y

hielo en el caso de curva con soporte interior . . . . . . . . . . . . 159

B.15.Diagramas del tubo superior con accin combinada de viento y

hielo en el caso de curva con soporte interior . . . . . . . . . . . . 159

B.16.Diagramas del tubo principal de mnsula sin agentes externos en

el caso recta con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . . . . . 160

B.17.Diagramas del brazo de registro sin agentes externos en el caso

recta con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

B.18.Diagramas del tubo superior sin agentes externos en el caso recta

con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

B.19.Diagramas del tubo principal de mnsula con accin de la

temperatura en el caso recta con atirantado hacia dentro . . . . . 161

B.20.Diagramas del brazo de registro con accin de la temperatura en


B.21.Diagramas del tubo superior con accin de la temperatura en el

caso recta con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . . . . . . 162

B.22.Diagramas del tubo principal de mnsula con accin mxima de

viento en el caso recta con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . 162

B.23.Diagramas del brazo de registro con accin mxima de viento en


B.24.Diagramas del tubo superior con accin mxima del viento en el

caso recta con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . . . . . . 163

B.25.Diagramas del tubo principal de mnsula con accin del hielo en


NDICE DE FIGURAS XIV

B.26.Diagramas del brazo de registro con accin del hielo en el caso

recta con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

B.27.Diagramas del tubo superior con accin del hielo en el caso recta

con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

B.28.Diagramas del tubo principal de mnsula con accin combinada de

viento y hielo en el caso recta con atirantado hacia dentro . . . . 164

B.29.Diagramas del brazo de registro con accin combinada de viento y

hielo en el caso recta con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . 164

B.30.Diagramas del tubo superior con accin combinada de viento y

hielo en el caso recta con atirantado hacia dentro . . . . . . . . . 165

Captulo 1

Introduccin

1.1. Motivacin

La historia del ferrocarril ha estado muy ligada al progreso tecnolgico desde

sus inicios a principios del siglo XIX hasta nuestros das y, la aparicin de la

aplicacin de la energa elctrica a la traccin de los trenes, sera uno de los

principales protagonistas derivados de las nuevas formas de energa aparecidas

tras la Segunda Revolucin Industrial. A partir de dicho momento y con motivo

del propio desarrollo del sector ferroviario, se han ido realizando numerosos

programas de investigacin con el objetivo de mejorar las redes de comunicacin.

En el mes de febrero de 1912 se puso en servicio el primer tramo ferroviario

electricado de la red nacional de va ancha en Espaa, entre las estaciones

almerienses de Santa Fe-Alhama y Grgal, con un recorrido de 20,8 kilmetros.

Con la introduccin de la electricacin en los sistemas ferroviarios en Espaa se

solucion uno de los grandes problemas de las empresas del sector como era el de

la velocidad que deban desarrollar los trenes.

Actualmente los trenes de alta velocidad son uno de los principales medios

de transportes haciendo incluso competencia al transporte areo, principalmente

en trayectos de media distancia como pueden ser Madrid-Barcelona o Madrid-

Sevilla. Este hecho repercute en gran parte en el creciente inters por los continuos

1

CAPTULO 1. INTRODUCCIN 2

avances tecnolgicos que tienen por objetivo el aumento de la rentabilidad y la

competitividad del sector.

Centrando la atencin en los mencionados avances tecnolgicos, uno de los

ejes bsicos en las investigaciones es el sistema de contacto catenaria-pantgrafo.

En este punto puede deducirse que el sistema de sujecin de la catenaria es, por lo

tanto, un tema muy importante objeto de estudio debido a la cantidad de factores

que van a actuar sobre la catenaria, tanto factores medioambientales (viento,

lluvia, temperatura...) como factores geomtricos en relacin con el contacto

con el pantgrafo (curvatura de la va, altura de contacto, descentramiento...).

El sistema de sujecin debe, junto con otros elementos a estudiar, asegurar un

contacto ptimo entre la catenaria y el pantgrafo tal que garantice la seguridad

del sistema y tenga en cuenta la eciencia energtica.

Por otra parte y como es lgico, el aumento de la rentabilidad y la

competitividad exige la reduccin al mximo de los costes de instalacin de la

red de electricacin, lo que conlleva un estudio exhaustivo de los elementos a

emplear en dicha instalacin para cumplir los requisitos exigidos. Actualmente

existen diversos sistemas de sustentacin de catenarias establecidos segn el tipo

de va (alta velocidad, transporte urbano...). Los sistemas ms exigentes sern

aquellos que den servicio de alta velocidad y es por esto que son prioritarios en

las investigaciones en curso.


1.2. Objetivos

El principal objetivo de este proyecto nal de carrera es el estudio de los

sistemas de sustentacin actuales en lneas de alta velocidad y la realizacin de un

modelo para el dimensionamiento del sistema de sustentacin (poste y mnsula)

de catenarias ferroviarias de alta velocidad. El desglose de objetivos por lo tanto

es el siguiente:

1. Estudio exhaustivo de los sistemas de sustentacin de catenarias ferroviarias

de alta velocidad.

2. Estudio de los factores que pueden inuir en el modelado del sistema

de sustentacin, como pueden ser factores medioambientales [App09] o

caractersticas geomtricas de la va.

3. Creacin de modelos que simulen el comportamiento de la sustentacin que

pueda ser fcilmente adaptable dependiendo de las caractersticas de este

estudio:

a) Parametrizacin de un modelo de mnsula.

b) Parametrizacin de un modelo de poste.

c) Relacin del modelo de mnsula y poste para as obtener un modelo

conjunto.

4. Anlisis del comportamiento esttico de los modelos con las herramientas

numricas propias del grupo de investigacin.

5. Estudio del comportamiento conjunto del sistema de sustentacin con la

catenaria.

6. Realizacin nal del modelo de sustentacin que permita la optimizacin

del comportamiento del sistema.


1.3. Estructura

En primer lugar el captulo 1 del presente proyecto consta de una introduccin

donde se establecen la motivacin, los objetivos a alcanzar y la estructura del

documento. A continuacin se presenta en el captulo 2 la revisin del estado

del arte, deniendo caractersticas de los sistemas de sustentacin habitualmente

empleados en catenarias ferroviarias y un breve resmen de patentes mundiales

existentes. Para denir claramente cul es el objetivo del sistema de sustentacin

en el captulo 3 se denen las caractersticas principales de una catenaria

ferroviaria para ya en los captulos 4, 5 y 6 denir los parmetros necesarios para

el clculo de la mnsula, el poste y los cimentos respectivamente. Finalmente en

el captulo 7 se presentan los resultados de los estudios realizados y un anlisis

del comportamiento de los diferentes elementos del sistema de sustentacin de la

catenaria frente a diversas conguraciones (viento, nieve, etc.) y caractersticas

(atirantado hacia dentro, atirantado hacia fuera, curva, etc.).

INTRODUCCIN ESTADO DEL

ARTE

DISEO PTIMO DE

LA MNSULA

DISEO PTIMO

DEL POSTE

DISEO PTIMO DE

LOS CIMIENTOS

RESULTADOS Y

CONCLUSIONES

Figura 1.1: Estructura del Proyecto

Captulo 2

Estado del Arte

En el presente captulo se har una revisin del estado del arte de los sistemas

de sustentacin de catenarias ferroviarias. Para ello se consultarn las siguientes

patentes([Ste02], [MP10], [Li06] y [Tsu91]) y bibliografa relacionada con el tema

de estudio ([MC02] y [FK01]).

2.1. Geometras bsicas de la mnsula

La mnsula es el elemento que, apoyndose en el poste, permite la colocacin

de la catenaria en su posicin adecuada. Las mnsulas se pueden clasicar en dos

grandes tipos:

1. Mensulas celosa: estn constituidas por un elemento principal o cuerpo,

formado por dos perles de acero galvinizado en forma de U y unidos por

su parte interior. En su parte inferior dispone de un mecanismo que permite

su jacin al poste. Completa la mnsula un tirante en la parte superior,

que cuando trabaja a traccin est constituida por un redondo o cable de

acero, pero si ha de trabajar a compresin, dispondr de un perl de acero

con la rigidez adecuada.

2. Mnsulas tubulares: estn constituidas por un tubo principal de acero o de

5

CAPTULO 2. ESTADO DEL ARTE 6

Figura 2.1: Mnsula en celosa

aluminio, y sobre ste va colocado otro de menor dimetro que se desplaza

por el anterior de forma paralela al plano de rodadura medio y que permite

la colocacin sobre l de los elementos de atirantado. Tambin dispone sta

mnsula de un tirante en su parte superior que, al igual que en las mnsulas

de celosa, permite (segn la construccin del tirante) soportar esfuerzos de

traccin o compresin.

Las mnsulas pueden estar jadas al poste de forma rgida o bien ser capaces

de girar sobre el plano horizontal cuando se regula la tensin mecnica del

sustentador, a cuyo efecto se intercala una rtula en el elemento de jacin al

poste.

La rtula o elemento de giro de la mnsula con respecto al poste, permite los

desplazamientos lineales del sustentador y de los hilos de contacto, por efecto de

la dilatacin lineal.

La diferencia bsica de montaje entre una mnsula de celosa y una mnsula

tubular consiste en que la mnsula tubular se encuentra siempre en tensin

elctrica, sujetndose los distintos tipos de cables directamente a la mnsula,

mientras que la de celosa se encuentra conectada a tierra, y por tanto los cables se


Figura 2.2: Mnsula tubular

sujetan a la mnsula mediante aisladores. Los elementos principales de la mnsula

estarn compuestos por tubos huecos de aluminio y por aisladores de Siemens

obtenidos del catlogo [Sie07].

Los parmetros principales que van a condicionar la estructura de la mnsula

son la altura del cable de contacto y el descentramiento del mismo, la altura del

cable sustentador y la distancia entre el poste y el centro de la va. Denidos

estos parmetros tambin es importante distinguir entre atirantado hacia afuera

de la va o hacia dentro ya que los esfuerzos soportados por la estructura van a

ser diferentes en los dos casos.


2.2. Geometras bsicas del poste

Los postes usados como soporte de catenarias deben cumplir varias funciones.

Existen actualmente los siguientes tipos principales para el diseo del poste:

1. Postes de perles combinados: generalmente consisten en dos perles en U

conectados con presillas horizontales que se van estrechando verticalmente.

Los perles ms usados en ste tipo de poste son U100, U120, U140 y U160,

tal y como se muestra en la gura 2.3.

Figura 2.3: Poste perl compuesto

2. Postes de perl simple: algunos sistemas de sustentacin utilizan postes de

acero de perles de ala ancha. Su desventaja principal es su gran peso en

relacin con su resistencia. Adems la echa producida en este tipo de poste

es mayor en comparacin con los postes de perles combinados y requiere

vigas ms pesadas. Tambin nos ofrecen una resistencia a la torsin baja,

lo que limita su uso cuando tenemos dos mnsulas en un mismo poste.


3. Postes de celosa: generalmente son cuatro perles en L unidos por un

entramado de barras en celosa, lo que permite que sean fcilmente

adaptables a las condiciones de carga requeridas, como el de la gura 2.4.

Figura 2.4: Poste perl compuesto

4. Postes de hormign armado: tal y como se muestra en la gura 2.5 este

tipo de poste est formado nicamenteo por hormign reforzado con una

estructura de acero en su interior. Este tipo de postes ofrecen una gran serie

de ventajas como son una fabricacin econmica, escasos requerimientos de

mantenimiento, proceso de cimentacin sencillos y estn homologados para

uso en trco de velocidad a 330 km/h.

5. Nuevas formas de sujeccin: actualmente se estn estudiando nuevas

geometras con materiales novedosos en la sujeccin de catenarias

ferroviarias, tal como se muestra en la imagen 2.6 extraida del Noveno

Congreso Mundial de Investigacin Ferroviaria [HS11].


Figura 2.5: Estructura de poste de hormign armado

Figura 2.6: Soporte de catenarias con nuevos materiales


2.3. Patentes

A continuacin se realizar una recopilacin de las geometras patentadas

mundialmente para as mostrar las diferentes geometras ms usadas.

En primer lugar la gura 2.7 representa una mnsula patentada en 1999 de

una lnea de alta velocidad de Siemens. Como se aprecia en la imagen se trata de

una estructura triangular formada por tubos de aluminio. Los puntos de apoyo

de la mnsula sobre el poste sern el A y el B, mientras que el cable sustentador

y el hilo de contacto irn apoyados en los puntos 6 y 7 respectivamente.

Figura 2.7: Patente Siemens, 2000

En la gura 2.8 se tiene un conjunto de poste y mnsula consistente en un

poste compuesto y una mnsula formada por una viga articulada en su unin

con el poste y sustentada por un tubo que permite que mantenga su posicin

horizontal. Sobre la viga va instalado el brazo de atirantado y servir tambin

como punto de apoyo para el cable sustentador.


Figura 2.8: Patente International Bureau, 2010

Similar a la primera patente presentada en este captulo, la imagen 2.9

representa una estructura triangular en la que lo caracterstico es la unin entre

las dos partes de la mnsula que se pueden unir en diferentes puntos dando la

posibilidad de modicar la geometra segn las especicaciones de la catenaria.

Por ltimo en la gura 2.10 se representa la imagen de una mnsula tubular

con un brazo de registro muy acortado que ser empleado principalmente

para catenarias en tramos rectos o en curvas con un radio de curvatura

lo sucientemente grande como para prescindir de otros elementos como el

contraviento, cuyas propiedades se especicaran posteriormente en la seccin 4.9.


Figura 2.9: Patente Hanhe Flywheel Beijing Electric, 2006

Figura 2.10: Patente Sarubi E Cosa A, 1991

Captulo 3

Descripcin de la catenaria

En el presente captulo se desarrolla la descripcin de los elementos que

conforman una catenaria ferroviaria. Con la denicin de los elementos que

componen la catenaria se podrn establecer los parmetros fundamentales que

inuirn en el diseo del sistema de sustentacin para, posterormente a partir del

captulo 4, el desarrollo del diseo de la sustentacin.

3.1. Descripcin mecnica de la catenaria

Los dos elementos del sistema de electricacin ferroviaria que mayor inters

suscitan son la catenaria y el pantgrafo. Por catenaria se entiende el conjunto

de elementos que constituyen la lnea area de transporte y suministro de energa

elctrica a un ferrocarril y, dependiendo de las caractersticas de la lnea sobre

la que vayan a estar instaladas, se distinguen catenarias de alta velocidad,

para ferrocarril metropolitano, etc. La ms comn y extendida es similar a la

representada en la gura 3.1, la cual consta de tres elementos bsicos: el hilo

sustentador, cable superior de la catenaria; el hilo de contacto, cable inferior

de la catenaria de donde toman la energa elctrica los trenes; y las pndolas,

cables verticales que conectan elctrica y mecnicamente los hilos sustentador y

de contacto.

14

CAPTULO 3. DESCRIPCIN DE LA CATENARIA 15

La estructura general de una catenaria ferroviaria consiste en vanos

individuales diseados de acuerdo a la aplicacin a la que se destinar de la

catenaria misma. La lnea area est dividida en tramos tensionados, llamados

cantones, encontrndose los mecanismos de tensionado al principio y nal de

cada uno de estos cantones, lo cual se conoce como seccionamientos. El equipo

de tensionado es el encargado de garantizar una tensin constante en los hilos de

contacto y sustentador con independencia de la temperatura, encontrndose en la

mitad de un cantn un punto jo que se encarga de dar estabilidad longitudinal

al conjunto.

Debido al coste de la inversin en infraestructura, el nmero de vanos debe

ser el menor posible. La carga que limita la longitud de los vanos es generalmente

el viento, limitndose el desplazamiento lateral mximo del hilo de contacto

por la zona de empleo del pantgrafo. As, los pantgrafos que tienen zonas de

frotacin o recorrido cortas requieren elementos de sustentacin ms prximos.

Las lneas habituales emplean postes como elementos de sustentacin, lo cual

hace independientes los dos sentido de circulacin.

El diseo de la lnea rea de contacto debe realizarse atendiendo a que

la captacin de corriente se realice en las mejores condiciones posibles. Para

ello es necesario atender a las caractersticas geomtricas que permitan dicha

situacin en funcin de la velocidad del tren y dependiendo de las caractersticas

particulares de la infraestructura (glibo, tolerancias, etc.). Adicionalmente se

deben tener en cuenta los requisitos de seguridad y distancias de aislamiento

estructurales. De esta forma se deben tener en cuenta las caractersticas de la

catenaria bajo tres enfoques diferentes: geomtrico, elctrico y mecnico. Las

caractersticas geomtricas ms importantes son la altura del hilo de contacto,

el descentramiento, la pendiente y la envolvente dinmica. Las caractersticas

mecnicas estn relacionadas con las tensiones en los conductores, las cargas

exteriores, la resistencia mecnica, masa de los cables, etc. Por ltimo, las

caractersticas elctricas estn determinadas por la potencia que la circulacin de


los trenes demande en la situacin ms desfavorable. Los sistemas de alimentacin

empleados en Espaa son 600, 750, 1500 y 3000 V en corriente continua y 25 kV

en corriente alterna.

CAPTULO 5. VIENTO EN CATENARIAS FERROVIARIAS 77

dinmica. Las caractersticas mecnicas estn relacionadas con las tensiones

en los conductores, las cargas exteriores, la resistencia mecnica, masa de

los cables, etc. Por ltimo, las caractersticas elctricas estn determinadas

por la potencia que la circulacin de los trenes demande en la situacin ms

desfavorable. Los sistemas de alimentacin empleados en Espaa son 600,

750, 1500 y 3000 V en corriente continua y 25 kV en corriente alterna.

VanoPndola Hilo sustentador

Hilo de contactoPantgrafo

CATENARIATREN

Figura 5.1: Esquema de la estructura de cables bsica de la catenaria

Por otra parte, se designa por pantgrafo al sistema de toma de corriente

empleado en los vehculos de traccin elctrica que se alimentan mediante

un hilo areo de contacto. En general consiste en un colector deslizante cons-

tituido por una cinta de contacto, denominada patn o pletinas, dispuesta

sobre una estructura articulada de forma que puedan seguirse las variaciones

de altura que presente el hilo de contacto. Puede hacerse una clasificacin

de los pantgrafos en funcin del modo de operacin o de las caractersticas

de la lnea:

Figura 3.1: Esquema de la estructura de cables bsica de la catenaria

Por otra parte, se designa por pantgrafo al sistema de toma de corriente

empleado en los vehculos de traccin elctrica que se alimentan mediante un

hilo areo de contacto. En general consiste en un colector deslizante constituido

por una cinta de contacto, denominada patn o pletinas, dispuesta sobre una

estructura articulada de forma que puedan seguirse las variaciones de altura que

presente el hilo de contacto. Puede hacerse una clasicacin de los pantgrafos

en funcin del modo de operacin o de las caractersticas de la lnea:

Segn el modo de operacin:

Pasivos En stos, la fuerza que empuja las pletinas contra el hilo de

contacto es constante en el tiempo. Son los ms simples y econmicos,

y su operacin es razonablemente buena, por lo que en estos momentos

son los ms extendidos. Sin embargo, no se espera que este tipo

de pantgrafos pueda seguir evolucionando de cara a conseguir los

requerimientos dinmicos que el aumento de la velocidad del tren

necesita.

Activos En este tipo de pantgrafos la fuerza que hace contactar el

patn con la catenaria vara con el tiempo, de forma que pueda


controlarse en todo momento la fuerza de contacto que existe entre

patn y catenaria o los desplazamientos del hilo de contacto. Este tipo

de pantgrafos son sensiblemente ms caros que los convencionales,

debido fundamentalmente al complicado mecanismo de control que

han de montar. No obstante, la evolucin tcnica de los ltimos

aos comienza a ser suciente para poner en el mercado modelos de

pantgrafo activo a precios competitivos. Este tipo de pantgrafos

constituye una buena solucin a los problemas dinmicos asociados

al trnsito a velocidades elevadas.

Segn la lnea de operacin:

Corriente alterna Estos pantgrafos trabajan con tensiones elevadas

dado que los trenes que circulan por lneas electricadas en alterna

no necesitan grandes intensidades de corriente. Este hecho repercute a

su vez en que las catenarias diseadas para corriente alterna puedan

contar con cables ligeros y ser consiguientemente ms livianas. Con una

catenaria de estas caractersticas es necesario evitar desplazamientos

excesivos del hilo de contacto, por lo que la fuerza aplicada por el

pantgrafo, sea ste activo o pasivo, ha de ser tan reducida como sea

posible.

Corriente continua Al contrario de lo que ocurre en las electricaciones

en corriente alterna, cuando se emplea corriente continua el voltaje no

puede ser muy elevado, por lo que circularn grandes intensidades por

el pantgrafo. En estos casos, la continuidad del ujo elctrico puede

asegurarse con fuerzas del pantgrafo elevadas. De hecho, se cree que la

corriente puede verse interrumpida, sin necesidad de que haya prdida

de contacto entre la catenaria y el pantgrafo, si la fuerza de contacto

desciende por debajo de niveles razonables. Es por esto por lo que

los pantgrafos de corriente continua estn diseados para ejercer una


fuerza sensiblemente mayor que los de corriente alterna.

Garantizar que el contacto entre el patn del pantgrafo y el hilo de contacto

de la catenaria sea lo ms uniforme posible requiere que el hilo de contacto

no presente grandes variaciones de altura respecto de los carriles. En aquellas

situaciones en las que la velocidad del tren no sea elevada, prxima a los 50

km/h, puede ser suciente con tender nicamente el hilo de contacto, siempre que

la diferencia de cotas entre los apoyos y el centro del vano no supere la milsima

parte de la longitud del mismo con un mximo de 20 cm de diferencia. Esta

diferencia de cotas puede conseguirse con el tensado mecnico del hilo de contacto.

Sin embargo, si la velocidad del tren aumenta, se requiere mayor uniformidad en

la altura que presentan los distintos puntos del hilo de contacto, no pudindose

satisfacer los requerimientos de horizontalidad con el simple tensado del hilo

de contacto. Es preciso, por consiguiente, emplear la conguracin de catenaria

con dos cables mencionada previamente: uno cuya misin sea hacer de hilo de

contacto y otro que sirva para sostener al primero conocido como hilo sustentador.

El conveniente tensado de estos dos hilos junto con la conexin de los mismos

mediante las pndolas hacen posible satisfacer las necesidades de horizontalidad

que el trnsito a velocidades elevadas requiere. No obstante, adems de estos

componentes, una catenaria se compone de otros elementos que tambin tienen,

como no podra ser de otra manera, su inuencia en el comportamiento del sistema

y que por este motivo se describen brevemente a continuacin. Puede encontrarse

una descripcin mucho ms profunda y rica en detalles en el monogrco [MC02]

de Montesinos y Carmona.

Hilo de contacto Probablemente sea ste el elemento ms importante de un

sistema areo de alimentacin elctrica, ya que ser el encargado de poner a

disposicin del tren la energa elctrica de la catenaria. La posicin aparente

del hilo de contacto es paralela a los carriles, a una cierta altura de los

mismos. Sin embargo, de montarse de esta forma, la friccin entre el patn


y el hilo de contacto tendra lugar exactamente siempre en el mismo punto

de las pletinas, con lo que el desgaste sufrido por stas sera muy elevado.

Para evitar este hecho se recurre a variar la posicin del hilo de contacto

respecto al eje central de los carriles, es decir, se fuerza un trazado en zig-zag

ayudndose de los postes y brazos de atirantado como vrtices para lograr un

descentramiento de entre 20 y 25 cm. La gura 3.2 ilustra esquemticamente

el concepto del descentramiento mediante el cual se evita que el pantgrafo

se desgaste siempre en el mismo punto, alargando la vida til de ste.CAPTULO 5. VIENTO EN CATENARIAS FERROVIARIAS 81

CatenariaRail

Rail Hilo de contacto~0.25

m

Figura 5.2: Esquema de descentramiento de la catenaria

grafo respecto al reemplazo del hilo de contacto. En relacin a este

aspecto cabe destacar la eliminacin de materiales pesados como plo-

mo o cadmio de los elementos en contacto, ya que la abrasin provoca

su nociva dispersin en la atmsfera.

Se distinguen diferentes tipos de hilo de contacto dependiendo de la

seccin transversal empleada en los mismos en funcin del servicio a

desempear. Si bien la configuracin ms empleada es la de seccin

slida con contorno circular, cuya geometra se muestra en la figu-

ra 5.3(a), tambin las secciones ovaladas o planas son frecuentes en

diferentes aplicaciones ferroviarias. Asimismo, tambin el rea de la

seccin es objeto de diseo, dependiendo su eleccin de la corriente

demandada y el tensado mecnico de los propios cables. En ocasiones

es necesario instalar hilos de contacto paralelos o dobles, generalmente

en trazados de corriente continua pero tambin cuando se requieren

altas potencias de traccin.

Hilo sustentador Tal como se ha apuntado anteriormente, este cable tie-

ne como cometido primordial soportar el peso del hilo de contacto y

mantener la tensin mecnica del sistema. Suele fabricarse de cobre

electroltico semiduro, bronce y tambin de aleaciones de acero y alu-

minio. Una de las configuraciones ms relevantes que se distinguen

Figura 3.2: Esquema de descentramiento de la catenaria

Los materiales ms habituales para la fabricacin del hilo de contacto son

el cobre electroltico duro o aleado (Mg o Ag), materiales que presentan

buenas propiedades tanto elctricas como mecnicas. Es importante resaltar

la necesidad de que el hilo de contacto exhiba mayor dureza que las

pletinas del pantgrafo, ya que es preferible que sean dichas pletinas las

que sufran el mayor desgaste debido a la mayor sencillez y comodidad que

supone la sustitucin del patn del pantgrafo respecto al reemplazo del

hilo de contacto. En relacin a este aspecto cabe destacar la eliminacin de

materiales pesados como plomo o cadmio de los elementos en contacto, ya

que la abrasin provoca su nociva dispersin en la atmsfera.


Se distinguen diferentes tipos de hilo de contacto dependiendo de la seccin

transversal empleada en los mismos en funcin del servicio a desempear.

Si bien la conguracin ms empleada es la de seccin slida con contorno

circular, cuya geometra se muestra en la gura 3.3(a), tambin las secciones

ovaladas o planas son frecuentes en diferentes aplicaciones ferroviarias.

Asimismo, tambin el rea de la seccin es objeto de diseo, dependiendo

su eleccin de la corriente demandada y el tensado mecnico de los propios

cables. En ocasiones es necesario instalar hilos de contacto paralelos o

dobles, generalmente en trazados de corriente continua pero tambin cuando

se requieren altas potencias de traccin.


(a) Hilo de contacto (b) Hilo sustentador-

Pndola

Figura 5.3: Secciones transversales tpicas de cables

entre las distintas secciones que presentan estos cables es la de con-

ductores trenzados, tal como se muestra de forma esquemtica en la

figura 5.3(b).

A su vez existen ciertos tipos de catenarias que emplean un cable in-

termedio entre el sustentador y el hilo de contacto cerca de los apoyos,

recibiendo ste el nombre de falso sustentador. Su misin es la de ho-

mogeneizar la rigidez de la catenaria ya que, de no existir, el punto de

sujecin del hilo de contacto por la mnsula registra muy alta rigidez,

convirtindose en un punto duro.

Pndola Estos elementos son los encargados de unir el hilo de contacto

con el sustentador, transmitiendo el peso del primero al segundo y,

en determinados casos, corriente elctrica cuando as se requiere. Su

funcin primordial es mantener el hilo de contacto paralelo a la va

y a una determinada altura, para lo cual suelen emplearse distintos

tipos de secciones y materiales, desde varillas de cobre hasta cables de

bronce trenzados como los representados en la figura 5.3(b). Respecto

a la configuracin longitudinal empleada, la figura 5.4, tomada de

[KPS01], refleja un esquema de pndola simple y otro de pndola

conductora indicando sus elementos constitutivos bsicos.

(a) Hilo de contacto


(a) Hilo de contacto (b) Hilo sustentador-

Pndola


entre las distintas secciones que presentan estos cables es la de con-

ductores trenzados, tal como se muestra de forma esquemtica en la

figura 5.3(b).

A su vez existen ciertos tipos de catenarias que emplean un cable in-

termedio entre el sustentador y el hilo de contacto cerca de los apoyos,

recibiendo ste el nombre de falso sustentador. Su misin es la de ho-

mogeneizar la rigidez de la catenaria ya que, de no existir, el punto de

sujecin del hilo de contacto por la mnsula registra muy alta rigidez,

convirtindose en un punto duro.


con el sustentador, transmitiendo el peso del primero al segundo y,

en determinados casos, corriente elctrica cuando as se requiere. Su

funcin primordial es mantener el hilo de contacto paralelo a la va

y a una determinada altura, para lo cual suelen emplearse distintos

tipos de secciones y materiales, desde varillas de cobre hasta cables de

bronce trenzados como los representados en la figura 5.3(b). Respecto

a la configuracin longitudinal empleada, la figura 5.4, tomada de

[KPS01], refleja un esquema de pndola simple y otro de pndola

conductora indicando sus elementos constitutivos bsicos.

(b) Hilo sustentador-Pndola


Hilo sustentador Tal como se ha apuntado anteriormente, este cable tiene

como cometido primordial soportar el peso del hilo de contacto y mantener

la tensin mecnica del sistema. Suele fabricarse de cobre electroltico

semiduro, bronce y tambin de aleaciones de acero y aluminio. Una de las

conguraciones ms relevantes que se distinguen entre las distintas secciones

que presentan estos cables es la de conductores trenzados, tal como se

muestra de forma esquemtica en la gura 3.3(b).

A su vez existen ciertos tipos de catenarias que emplean un cable intermedio

entre el sustentador y el hilo de contacto cerca de los apoyos, recibiendo ste


el nombre de falso sustentador. Su misin es la de homogeneizar la rigidez

de la catenaria ya que, de no existir, el punto de sujecin del hilo de contacto

por la mnsula registra muy alta rigidez, convirtindose en un punto duro.


con el sustentador, transmitiendo el peso del primero al segundo y, en

determinados casos, corriente elctrica cuando as se requiere. Su funcin

primordial es mantener el hilo de contacto paralelo a la va y a una

determinada altura, para lo cual suelen emplearse distintos tipos de

secciones y materiales, desde varillas de cobre hasta cables de bronce

trenzados como los representados en la gura 3.3(b). Respecto a la

conguracin longitudinal empleada, la gura 3.4, tomada de [FK01], reeja

un esquema de pndola simple y otro de pndola conductora, denominada

pndola equipotencial, indicando sus elementos constitutivos bsicos.


(a) Pndola simple

Hilo sustentador

Grapa

Guardacabo

Abrazadera

Pndola deconductores

trenzados

Grifa

Hilo decontacto

(b) Pndola conductora

Figura 5.4: Esquemas bsicos de pndolas

Cuando las pndolas son de una longitud inferior a 0,5 m, especial-

mente plausible en trazados de alta velocidad, se comportan de forma

muy rgida. As, la altura de la catenaria debe permitir que la longitud

de las pndolas en el centro del vano sea superior a los 0,5 m men-

cionados, pudiendo recurrir a la instalacin de pndolas especiales en

caso de no poder satisfacer este criterio de longitud mnima.

Dependiendo de la tensin del hilo de contacto, la separacin entre las

pndolas, tambin llamada pendolado, determina la flecha del hilo de

contacto entre stas. Adicionalmente, deben garantizar que en caso de

rotura del hilo conductor ste toque el suelo de forma que se dispa-

ren las correspondientes medidas de seguridad. As, para limitar esta

flecha las pndolas no deben estar espacidas ms de 12 m, guardando

tambin una distancia mnima de unos 5 m.

Las primeras pndolas que se montaron eran de acero y la nica misin

era sujetar el hilo de contacto, emplendose unas conexiones equipo-

(a) Pndola simple


(a) Pndola simple

Hilo sustentador

Grapa

Guardacabo

Abrazadera

Pndola deconductores

trenzados

Grifa

Hilo decontacto

(b) Pndola conductora


Cuando las pndolas son de una longitud inferior a 0,5 m, especial-

mente plausible en trazados de alta velocidad, se comportan de forma

muy rgida. As, la altura de la catenaria debe permitir que la longitud

de las pndolas en el centro del vano sea superior a los 0,5 m men-

cionados, pudiendo recurrir a la instalacin de pndolas especiales en



pndolas, tambin llamada pendolado, determina la flecha del hilo de


rotura del hilo conductor ste toque el suelo de forma que se dispa-

ren las correspondientes medidas de seguridad. As, para limitar esta

flecha las pndolas no deben estar espacidas ms de 12 m, guardando

tambin una distancia mnima de unos 5 m.

Las primeras pndolas que se montaron eran de acero y la nica misin

era sujetar el hilo de contacto, emplendose unas conexiones equipo-

(b) Pndola equipotencial


Cuando las pndolas son de una longitud inferior a 0.5 m se comportan


de forma muy rgida. As, la altura de la catenaria debe permitir que la

longitud de las pndolas en el centro del vano sea superior a los 0.5 m

mencionados, pudiendo recurrir a la instalacin de pndolas especiales en



pndolas, tambin llamada pendolado, determina la echa del hilo de


rotura del hilo conductor ste toque el suelo de forma que se disparen las

correspondientes medidas de seguridad. As, para limitar esta echa las

pndolas no deben estar espacidas ms de 12 m, guardando tambin una

distancia mnima de unos 5 m.

Las primeras pndolas que se montaron eran de acero y la nica misin era

sujetar el hilo de contacto, emplendose unas conexiones equipotenciales

entre sustentador e hilo de contacto para permitir el paso de corriente.

Estas conexiones producen un efecto dinmico perjudicial al introducir

concentraciones de masa, con lo que es preferible evitarlas mediante

su sustitucin por las denominadas pndolas equipotenciales, las cuales

permiten que tanto las corrientes de servicio como tambin las de

cortocircuito puedan circular desde el cable al hilo de contacto sin producirse

quemaduras en los extremos de los hilos individuales.

Puede establecerse una clasicacin de las pndolas atendiendo a su

longitud. Se denominan cortas o rgidas aquellas que no superan los 600

mm de longitud, reservando la denominacin de largas o articuladas a

aquellas que sobrepasen dicho lmite. Este ltimo tipo de pndolas presenta

ciertos problemas de conexin elctrica entre el sustentador y el hilo de

contacto, hacindose necesarios cables supletorios de alimentacin cada

cierta distancia. Por ltimo, los elementos encargados de unir los hilos

principales con las pndolas se denominan grifas. stas se montan sobre


las ranuras que posee el hilo de contacto en la parte que no se ofrece al

pantgrafo de forma que el paso de ste no se vea afectado.

Falso sustentador La diferencia de elasticidades entre el centro del vano y

los apoyos tiene un efecto importante sobre la fuerza de contacto que se

maniesta en un incremento del desgaste del hilo de contacto. La elasticidad

en los apoyos se controla mediante el uso del denominado falso sustentador,

tambin conocido como pndola en Y. Homogeneizando de este modo la

elasticidad a lo largo de los vanos.

Mnsula El sistema para sustentar la estructura de cables desde los postes

se realiza por medio de una viga o conjunto de barras que se denomina

cuerpo de mnsula, generalmente deben estar articuladas para permitir el

giro de la misma debido a la dilatacin de los cables. Pueden ser de dos

tipos, mnsulas en celosa o mnsulas tubulares: las primeras estn hechas

de perles laminados con seccin en U, mientras que las segundas estn

fabricadas con perles tubulares, ambas de acero galvanizado. A su vez,

para apoyar y sujetar el hilo sustentador al cuerpo de mnsula se monta

un conjunto de piezas denominadas conjunto de suspensin. La gura 3.5

de Kieling et al. en [FK01] muestra el esquema bsico de una mnsula,

indicando en sta algunos de los elementos ms comunes.

Ntese que por el hilo sustentador circula corriente elctrica y permanece

a tensin, por lo que se necesita que el conjunto de suspensin permanezca

aislado elctricamente para evitar poner a tierra toda la instalacin. As,

las mnsulas en celosa estn separadas elctricamente del hilo de contacto

por un aislador mientras que las tubulares estn en tensin, por lo que los

aisladores se interponen entre stas y el poste. Adems del sustentador,

la mnsula tambin soporta los conjuntos de atirantado, responsables de

producir el ya comentado descentramiento del hilo de contacto, por lo que

la unin del conjunto de atirantado con la mnsula tambin habr de estar



den ser de dos tipos, mnsulas en celosa o mnsulas tubulares: las

primeras estn hechas de perfiles laminados con seccin en U, mien-

tras que las segundas estn fabricadas con perfiles tubulares, ambas de

acero galvanizado. A su vez, para apoyar y sujetar el hilo sustentador

al cuerpo de mnsula se monta un conjunto de piezas denominadas

conjunto de suspensin. La figura 5.5 de Kieling et al. en [KPS01]

muestra el esquema bsico de una mnsula, indicando en sta algunos

de los elementos ms comunes.

Sujecin superior

Tubo diagonal

Tubo de mnsula

Brazo de atirantado y engrapado al hilo de contacto

Grifa del hilo sustentador

Figura 5.5: Esquema bsico de mnsula

Ntese que por el hilo sustentador circula corriente elctrica y perma-

nece a tensin, por lo que se necesita que el conjunto de suspensin

permanezca aislado elctricamente para evitar poner a tierra toda la

instalacin. As, las mnsulas en celosa estn separadas elctricamen-

te del hilo de contacto por un aislador mientras que las tubulares

estn en tensin, por lo que los aisladores se interponen entre stas

y el poste. Adems del sustentador, la mnsula tambin soporta los

conjuntos de atirantado, responsables de producir el ya comentado

descentramiento del hilo de contacto, por lo que la unin del conjunto

de atirantado con la mnsula tambin habr de estar aislada.

Poste Los postes son los elementos encargados de soportar los esfuerzos ori-

Figura 3.5: Esquema bsico de mnsula

aislada.

Poste Los postes son los elementos encargados de soportar los esfuerzos

originados por el peso propio de la catenaria y los efectos del viento sobre

sta transmitidos a travs de las mnsulas. Generalmente los postes se

fabrican a partir de perles laminados de acero galvanizado, cimentando

el conjunto mediante un macizo de hormign. Para compensar los esfuerzos

correspondientes a los distintos elementos que componen el sistema no

es usual montar los postes perpendiculares al suelo, sino que se les da

una pequea inclinacin o echa. De esta forma, cuando la catenaria

est completamente cargada, la posicin de los postes ser perfectamente

vertical. Asimismo, tambin es usual dotar a los postes nales de cantn de

un sistema de atirantado lateral, de manera que se compensen los esfuerzos

longitudinales ejercidos por la catenaria.

Prticos funiculares Los prticos funiculares se emplean ampliamente en zonas

donde existen ms de dos vas. De esta forma se evita la existencia de postes

individuales para cada va reduciendo el espacio necesario. El principal

problema radica en la `conexin mecnica' entre los diferentes hilos de

contacto, lo que perjudica la captacin de corriente debido a las vibraciones


introducidas. Dada la forma de transmitir las cargas a los postes, stos se

ven sometidos a esfuerzos considerables.

Prticos rgidos Se pueden realizar estructuras porticadas o trianguladas de

acero o aluminio sobre las que se sustenta la catenaria. Debido a la

resistencia a exin de este tipo de estructuras, las solicitaciones sobre los

postes y cimentaciones son menores que en los prticos funiculares, esto

los hace especialmente interesantes en suelos con poca capacidad portante.

Resultan ms caros que los prticos funiculares, pueden restringir la visin

de seales, etc.

Las lneas areas de contacto estn sometidas a acciones de tipo mecnico,

elctrico y climtico. De cara a satisfacer determinadas condiciones particulares

de el suministro elctrico mnimas, se establecen una serie de normas que stas

deben cumplir: ETI, EN 50119 y EN 50122 entre otras. La norma EN 50119,

establece que las cargas que deben tenerse en cuenta para el clculo de una

catenaria ferroviaria son:

Cargas gravitatotias de todos los elementos existentes

Tensiones aplicadas en los conductores

Cargas debidas al viento

Cargas adicionales debidas a la forma de la instalacin o acciones

ambientales como hielo

Cargas transitorias

La tensin admisible en los hilos sustentador y de contacto tiene en cuenta

una serie de factores que minoran la resistencia de stos. As, la tensin mxima

admisible se multiplica por factores, siempre inferiores o iguales a la unidad, que

dependen de la temperatura, el desgaste permitido, las cargas de hielo y viento,


el tensado y rendimiento del equipo de tensado, las grapas de anclaje, cargas

verticales, la existencia de uniones soldadas y la uencia. La norma EN 50119

determina los factores a emplear.

3.2. Parmetros a considerar

Para la denicin de la geometra han de tenerse en cuenta diferentes

parmetros que vienen establecidos por las caractersticas de la va, que imponen

los puntos en los que la catenaria debe sustentarse, y las caractersticas

geogrcas, que afectarn principalmente en las cargas que han de tenerse en

cuenta.

En la tabla 3.1 se presentan cinco tipos de catenarias con sus secciones

transversales correspondientes y en la tabla 3.2 diversos tipos de conductores

empleados con sus caractersticas geomtricas y elctricas, lo que posteriormente

permitir establecer las cargas en los puntos de apoyo sobre la mnsula y el poste.

Catenaria C1 C2 C3 C4 C5

Hilo de contacto Bz 150 mm2

Hilo sustentador Bz 100 mm2

Feeder positivo LA-280 LA-280 LA-110 - -

Feeder negativo LA-380 LA-380 LA-280 LA-380 LA-110

Cable de retorno LA-280 LA-280 LA-110 LA-280 LA-110

Tabla 3.1: Repositorio de catenarias


Designacin Radio [m] Resistencia [/m] Reactancia [/m]

LA-30 3.57 103 1.18 103 1.48 105

LA-56 4.72 103 6.74 104 1.48 105

LA-78 5.67 103 4.68 104 1.48 105

LA-110 7.00 103 3.37 104 1.45 105

LA-145 7.87 103 2.66 104 1.45 105

LA-180 8.75 103 2.16 104 1.45 105

LA-280 1.09 102 1.31 104 1.47 105

LA-380 1.27 102 9.42 105 1.48 105

LA-455 1.39 102 7.89 105 1.48 105

LA-545 1.52 102 6.55 105 1.48 105

LA-635 1.64 102 5.61 105 1.48 105

100Cu 5.64 103 1.93 104 1.50 105

150Cu60% 6.91 103 2.15 104 1.50 105

225Cu 8.46 103 5.59 105 1.50 105

UIC-60 4.95 102 2.47 105 1.50 104

Tabla 3.2: Especicacin de los conductores elctricos empleados


3.2.1. Alturas

La altura de las catenarias, entendiendo como tal la existente entre el hilo de

contacto y el plano de rodamiento medio de la va, ser la que se indica en el pliego

de caractersticas tcnicas y de montaje de la catenaria elegida, sin embargo, es en

las estaciones donde se presentan los mayores problemas para poder mantener la

uniformidad en la altura. La existencia de puntos singulares, anteriores al proyecto

de electricacin o de modicacin condiciona en muchos casos la altura de toda

la catenaria de la estacin, y ello debido a que para mantener una uniformidad

en la altura se debe elegir el punto ms bajo y una vez determinado, establecer

los valores de pendientes mximas aceptadas por el tipo de catenaria a instalar,

pudiendo presentarse varios casos:

1. Dos puntos bajos lo sucientemente cerca uno de otro de tal forma que

cuando se termine la elevacin de la lnea hasta su altura normal, comienza

la bajada para el nuevo punto bajo, en estos casos para evitar el pantgrafo

movimientos sucesivos de subida y bajada es aconsejable mantener la lnea

en la posicin ms baja todo el intervalo comprendido entre los dos puntos

bajos.

2. Existencia de un punto bajo y un punto alto situados a escasa distancia

uno de otro. Corresponde este caso a la existencia de un punto tal como un

puente o paso superior que obligue a reducir la altura de la catenaria, y a

escasa distancia exista un paso a nivel en donde es obligatorio elevar la lnea

hasta la altura indicada por la administracin ferroviaria o en su defecto

por las normas al efecto. En estos casos se debe de estudiar la posibilidad

de aumentar la altura del elemento bajo, desplazar si fuera posible el paso a

nivel aumentando la distancia entre los dos puntos conictivos, y si ninguna

de ellas fuera posible, reducir la velocidad del tren en el espacio comprendido

entre los dos puntos singulares de acuerdo con la transicin de alturas que

haya sido necesario realizar.

Captulo 4

Diseo ptimo de la mnsula

Para los elementos de la mnsula se utilizarn elementos del catlogo de

Siemens [Sie07], principalmente tubos huecos de aluminio de diferentes dimetros,

dependiendo de los esfuerzos a los que son sometidos. En la tabla 4.1 se muestran

los diferentes tipos de tubos empleados en la mnsula:

Tipo Peso [kg/m] d [mm] s [mm]

Tubo de aluminio 26x3.5 0.67 26 3.5





Tabla 4.1: Tubos empleados en la mnsula

Los tubos presentados en la tabla 4.1 no podrn tener una longitud mayor

a 8.0 metros y el material del que estarn compuesto es EN AW-AlSiMgMn de

acuerdo a EN 755.

Donde los elementos que aparecen en las guras 4.2 y 4.3 son:

1. Aisladores

2. Tubo superior

29

CAPTULO 4. DISEO PTIMO DE LA MNSULA 30

Siemens Product Catalog 2007: Contact line equipment for main line railways 7-45

Cantilevers made of aluminium

Aluminium tube

for cantilevers, tensioning weight guidance and operating linkage

Other lengths on request.

End caps see Chapter 7 page 46.

Order no. Type Material Weight Max. deliverylength

d s

8WL2161-0 Aluminium tube 26x3.5 EN AW-AlSiMgMn acc. to EN 755 0.67 kg/m 8.0 m 26 mm 3.5 mm



8WL2170-0 Aluminium tube 70x 6.0 EN AW-AlSiMgMn acc. to EN 755 3.26 kg/m 8.0 m 70 mm 6.0 mm

8WL2173-0 Aluminium tube 80x 6.0 EN AW-AlSiMgMn acc. to EN 755 3.79 kg/m 8.0 m 80 mm 6.0 mm

Figura 4.1: Seccin de los tubos de aluminio

Figura 4.2: Mnsula atirantado hacia fuera

3. Tubo en mnsula o principal de la mnsula

4. Tubo diagonal

5. Brazo de registro

6. Tirante del brazo de registro

7. Brazo de atirantado

8. Contraviento


Figura 4.3: Mnsula atirantado hacia dentro

4.1. Cargas a considerar en la mnsula

En primer lugar se van a estudiar las cargas a considerar sobre la mnsula.

Se diferenciar entre cargas permanentes y cargas variables, y dentro de esta

clasicacin, entre horizontales y verticales, lo que permitir un estudio detallado

en funcin de los diferentes casos planteados en la norma EN-50119. Las diferentes

combinaciones de cargas en las mnsulas y en los postes dependen de:

1. La posicin: si es un tramo curvo o recto.

2. El tipo de soporte: atirantado hacia fuera o hacia dentro.

3. La accin del viento.

4. La accin del hielo.

Para el diseo de los elementos de los conductores, equipamiento y soportes

incluyendo cimientos, se debe tener en cuenta el caso de carga que produzca

el grado mximo de carga en cada elemento individualmente. As pues, en la

norma EN 50119:2009 se establecen los siguentes casos de carga estndar:


1. Caso A: Cargas a la mnima temperatura. Cargas permanentes,

fuerzas de tensin a temperatura mnima y a temperatura ambiente de

diseo.

2. Caso B: Mxima carga de viento. Cargas permanentes, fuerzas de

tensin incrementadas por la accin del viento y la accin del viento en

cada elemento en la direccin ms desfavorable.

3. Caso C: Cargas de hielo. Cargas permanentes, fuerzas de tensin

incrementadas por la accin del hielo en conductores y en las estructuras,

si es aplicable.

4. Caso D: Accin combinada de hielo y viento. Cargas permanentes,

fuerzas de tensin de los conductores incrementadas por la accin

combinada de las cargas de hielo y viento y las cargas de hielo y viento

actuando sobre las estructuras. El viento acta en la direccin ms

desfavorable.

5. Caso E: Cargas de construccin y mantenimiento. Cargas perma-

nentes, incrementadas por las cargas de construccin y mantenimiento con

cargas reducidas de hielo y viento donde se especique.

6. Caso F: Cargas accidentales. Cargas permanentes junto con la reduccin

desintencionada de la fuerza de uno o varios conductores.

Las mnsulas soportan el cableado areo de una o varias vas. Deben estar

jadas a los soportes mediante bisagras que permitan a la mnsula girar en torno

a su eje vertical, permitiendo as que no afecten cargas longitudinales producidas

en los conductores. Para el estudio de los elementos de la mnsula, segn la

Norma Europea, los casos de carga que debern considerarse de los anteriormente

descritos son: A, B, C y, si es necesario, D.


4.1.1. Cambio de condiciones en conductores

La ecuacin de cambio de condiciones parte de la aproximacin parablica de

la catenaria y considera dos estados diferentes. Se denotar un estado por 1 los

siguientes valores de tensin H1, temperatura t1, peso m1g, longitud s1 y echa

f1, y un estado 2 con sus correspondientes H2, t2,m2g, s2 y f2. La diferencia de

longitudes entre ambos estados puede escribirse como

s = s2 s1 = 83l

(f 22 f 21

)=

l3

24

((mg)22H22

(mg)21

H21

)(4.1)

Esta diferencia de longitud puede se debe a dos causas, por un lado al

alargamiento elstico de los cables se, por otro a la variacin de longitud debida

a los cables st. El primero puede cuanticase como

se =l

EA(H2 H1) (4.2)

y el segundo

st = l (t2 t1) (4.3)

Igualando 4.1 a la suma de 4.2 y 4.3 se tiene la llamada ecuacin de cambio

de condiciones

l3

24

((mg)22H22

(mg)21

H21

)=

l

EA(H2 H1) + l (t2 t1) (4.4)

que como se puede ver reagrupando los trminos se trata de una ecuacin

cbica en T que puede escribirse de la forma

24

l2EAH32 +

((mg)21H21

+24

l2 (t2 t1) 24

l2EAH1

)H22 (mg)22 (4.5)

esta expresin puede resolverse por cualquiera de los mtodos de resolucin

de ecuaciones no lineales que existen, por ejemplo con el mtodo de Newton-

Raphson.


El mtodo de Newton Rapshon permite resolver la ecuacin no lineal g(x) = 0

pertiendo del desarrollo en serie de Taylor de la funcin g alrededor del punto x0

g(x) = g(x0) +dg

dxx+O2 = 0 (4.6)

que permite despejar el incremento x como

x = g(x0)dgdx

(4.7)

permitiendo actualizar el valor de x

4.1.2. Cargas permantentes verticales

4.1.2.1. Peso del hilo de contacto

Conocido el peso lineal del hilo de contacto Gcw y las longitudes de los vanos

adyacentes, li y li+1, el peso que soportar una mnsula ser el correspondiente

a las mitades de los vanos.

PCW =Gcw (li + li+1)

2(4.8)

En cuanto a la aplicacin de la carga del peso del hilo de contacto en el modelo,

el peso del hilo de contacto que corresponde soportar al brazo de atirantado ser

el que corresponda a la mitad de la longitud existente entre la primera pndola y

el brazo de atirantado por cada lado tal y como se muestra en la ecuacin 4.9. El

resto del peso del hilo de contacto ser aplicado en el punto de apoyo del cable

sustentador pues es l el que, mediante el pendolado, soporta el resto del peso.

PCWreal =Gcw (dpi + dpi+1)

2(4.9)

Siendo dpi la distancia del brazo de atirantado hasta la primera pndola del

vano i.


4.1.2.2. Peso del cable sustentador

Al igual que con el peso del hilo de contacto, conocido el peso lineal del cable

sustentador Gsus, el peso que soportar la mnsula ser el correspondiente a las

mitades de los vanos adyacentes.

PSUST =Gsus (li + li+1)

2(4.10)

En ste caso todo el peso del cable sustentador ser soportado en un mismo

punto sumndole adems el peso del conjunto del pendolado y el tramo del hilo

de contacto que corresponde.

4.1.2.3. Peso debido a la diferencia de cotas respecto a las mnsulas

adyacentes

Fuerza debida a la diferencia de cotas de una mnsula con respecto a las

mnsulas adyacentes. Esta fuerza aparece debido a que al estar los puntos de

sujeccin a diferentes alturas, la tensin horizontal de los cables sustentador y

de contacto no se reparte de forma equitativa en las mnsulas. En este estudio,

debido a que la lnea va a ser de alta velocidad, la variacin de cota es muy

pequea (salvo en seccionamientos) y, por lo tanto, esta fuerza va a ser (en el

caso de que exista) muy pequea. Siendo Hi la tensin horizontal del cable i y

Ni la cota del punto de sujeccin del cable:

PDC_CW = HCW [Ni Ni1

Li+Ni +Ni+1Li+1

](4.11)

PDC_SUST = HSUST [Ni Ni1

Li+Ni +Ni+1Li+1

](4.12)

4.1.2.4. Peso del pendolado y las grifas

A lo largo de la longitud del vano, el peso del hilo de contacto es soportado

por el cable sustentador mediante las pndolas y las grifas, cuyo peso tendremos


en cuenta en el modelado. Siendo n el nmero de pndolas por vano, Gpend el

peso lineal de la pndola y lmed la longitud media de las pndolas:

Ppend = n Gpend lmed (4.13)

De la misma manera, siendo ngr el nmero de grifas por vano y mgr la masa

de una grifa:

Pgr = ngr mgr (4.14)

4.1.3. Cargas permanentes horizontales

4.1.3.1. Fuerza horizontal debida a la tensin del cable de contacto

Esta fuerza es la que aparece con el descentramiento del cable de contacto. El

sistema de sujeccin de la catenaria debe ser diseado tal que el cable de contacto

vare su posicin respecto al eje de la va para garantizar un desgaste uniforme

del pantgrafo en su supercie de contacto con el cable. En el cable de contacto

existe una fuerza horizontal que va a inuir en el sistema de sujeccin con la

aparicin de la fuerza horizontal hacia el eje de la va:

FHi = H [lAi zi+ zi1

li+lAi zi+ zi+1

li+1

](4.15)

Siendo:

H fuerza horizontal en el cable de contacto.

lAi distancia del poste hasta el centro de la va.

li longitud de vano.

zi descentramiento.


Adems si las distancias zi1, zi y zi+1 son iguales y la longitud de vano es

constante la ecuacin se simplica a:

FHi =2 H lAi

li(4.16)

4.1.3.2. Fuerza debido a curva

En caso de que el punto de sujeccin estudiado se encuentre en una curva, a

la anterior fuerza horizontal se le debe aadir otra por el hecho de estar en curva.

En alta velocidad el radio de curvatura no es inferior de 7000 metros, por lo que

esta fuerza va a ser pequea. Sea R el radio de curvatura de la va en el tramo

estudiado:

FHi_C = H (li + li+1

2 R)(4.17)

De la misma forma, si la longitud de vano es constante:

FHi_C =H liR(4.18)

4.1.4. Cargas variables verticales

4.1.4.1. Hielo

En nuestro estudio va a modelarse como una carga distribuida a lo largo de

cables y la estructura que va a ser modelada. La carga de hielo en los cables

la se va a introducir en nuestro modelo como una carga vertical en el punto de

sujeccin del cable de contacto y del cable sustentador de valor la carga lineal

calculada conforme al Reglamento de Lneas Areas de Alta Tensin multiplicada

por la longitud de vano. As, las cargas lineales se calcula mediante

Gice = 180 d (4.19)


4.1.5. Cargas variables horizontales

4.1.5.1. Viento

En el presente estudio se va a considerar que el viento afecta al cableado de

la instalacin y a los postes. En un principio no se considerar el caso de que el

viento afecte a la mnsula directamente, pero como va a afectar al cableado, en

la mnsula aparecern nuevas fuerzas horizontales debido a las cargas ejercidas

sobre los cables. La fuerza ejercida por el viento transversal se rige por la siguiente

ecuacin:

FW = Cstr Gstr q AW (4.20)

Siendo:

Cstr factor de arrastre, dependiente de la forma y la rugosidad delmaterial. En la siguiente tabla se muestran los valores recomendados, salvo

especicacin del fabricante:

Tipo de estructura Cstr

Acero tubular y estructuras de hormign con seccin transversal

circular

0.7

Estructuras de acero tubular con seccin transversal dodecadrica 0.85


hexagonal u octagonal

1.0


cuadrada o rectangular

1.4

Doble va con seccin transversal cuadrada o rectangular 1.4 - 2.0

Perles en H 1.4

Tabla 4.2: Factor de arrastre


Gstr es el factor de resonancia estructural. Segn la norma EN-50119, tpicamente en el estudio del sistema de sustentacin de catenarias

ferroviarias el valor de este factor es 1.0.

q es la presin dinmica del viento. Considerando condiciones normales,de acuerdo con la norma EN-50341-3-4, con una temperatura de 20

o

C y

peso especco 1.250 kg/m:

q =v2w1.6(4.21)

Donde vw es la velocidad del viento que acta sobre la estructura.

Para la aplicacin de la anterior frmula, se debe tener en cuenta que si

el punto a estudiar se encuentra en un puente, acueducto o situaciones

similares donde la distancia con respecto al suelo sea importante, se debe

aplicar la siguiente correccin al viento:

vw = v10 (h

10

)(4.22)

AW rea sobre la que es ejercida la carga del viento.

exponente de Hellmann que vara con la rugosidad del terreno.

v10 velocidad del viento a 10 metros de altura.

h altura a la que queremos calcular la velocidad del viento.

4.1.6. Reglamento de clculo de lneas areas de A.T. en

Espaa

Segn el Reglamento para el clculo de lneas areas de Alta Tensin para el

clculo mecnico de los elementos constituyentes de la lnea, cualquiera que sea

la naturaleza de stos, se efectuar bajo la atencin de las cargas y sobrecargas

que a continuacin se indican, combinadas en la forma y en las condiciones que

se jan en los apartados siguientes:


1. Cargas permanentes: Se considerarn las cargas verticales debidas al peso

propio de los distintos elementos: conductores, aisladores, herrajes, cables

de tierra si los hubiere, apoyos y cimentaciones.

2. Presiones debidas al viento: Se considerar un viento de 120 km/h

(33.3 m/s) de velocidad. Se supondr el viento horizontal actuando

perpendicularmente a las supercies sobre las que incide. La accin de

este viento da lugar a las presiones que a continuacin se indican sobre

los distintos elementos de la lnea:

Sobre conductores y cables de tierra de un dimetro igual o inferior a

16 mm: 60 kg/m2

Sobre conductores y cables de tierra de un dimetro mayor a 16 mm:

50 kg/m2

3. Sobrecargas motivadas por el hielo: A estos efectos, el pas se clasica en

tres zonas:

Zona A: La situada a menos de 500 metros sobre el nivel del mar.

Zona B : La situada a una altitud entre 500 y 1000 metros sobre el

nivel del mar.

Zona C : La situada a una altitud superior a 1000 metros sobre el nivel

del mar.

Las sobrecargas sern las siguientes:

Zona A: No se tendr en cuenta sobrecarga alguna motivada por el

hielo.

Zona B : Se considerarn sometidos los conductores y cables de tierra

a la sobrecarga de un manguito de hielo de valor 180 d gramos pormetro lieal, siendo d el dimetro del conductor o cable de tierra en

mm.


Zona C : Se considerarn sometidos los conductores y cables de tierra

a la sobrecarga de un manguito de hielo de valor 360 d gramos pormetro lieal, siendo d el dimetro del conductor o cable de tierra en

mm.

4.2. Aisladores

La tarea principal de los aisladores es la de separar los elementos de la

instalacin cargdos elctricamente para evitar el contacto entre ellos y con la

tierra. Van a soportar la carga mecnica que se produce debido a los diferentes

esfuerzos en el resto de elemento

catenaria 4def8a7b564ab

Documents

Transcript of catenaria 4def8a7b564ab