Proyecto Vias Ferreas Maui
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PROYECTO VIAS FERREAS Semestre 2-2012
Univ. Castellon Aguilar Mauricio Agustin 1
DIMENCIONADO DE LA
INFRAESTRUCTURA Y SUPERESTRUCTURA
UNA VIA FERREA
1.- INTRODUCCION Y GENERALIDADES
Se denomina vía férrea a la parte de la infraestructura ferroviaria formada por
el conjunto de elementos que conforman el sitio por el cual se desplazan los
trenes. Las vías férreas son el elemento esencial de la infraestructura
ferroviaria y constan, básicamente, de ríeles apoyados sobre traviesas que se
disponen dentro de una capa de balasto. Para su construcción es necesario
realizar movimiento de suelos y obras complementarias (puentes, alcantarillas,
muros de contención, drenajes, etc.).
PROYECTO VIAS FERREAS Semestre 2-2012
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2.- OBJETIVOS.-
Objetivo General.-
Realizar el dimensionado de la infraestructura y superestructura de una
via ferea junto con todos sus elementos.
Objetivos específicos.-
Realizar el dimensionado de:
Sección de riel.
Sección del durmiente.
Altura de balasto o base.
Plataforma o explanación.
3.- MARCO TEORICO:
Definición de una vía férrea
Un ferrocarril se define como el camino provisto de perfiles paralelos denominados rieles, sobre los que se deslizan una serie de vehículos movidos
por tracción eléctrica, motores eléctricos o motores diesel - eléctricos
Clasificación
En la actualidad no se cuenta con una clasificación unificada de las
líneas del ferrocarril, debido a que las mismas presentan una gran variedad en
sus características. Tomando en cuenta algunos puntos de vista, se pueden clasificar en:
Líneas principales y secundarias
Las líneas principales son aquellas que forman las grandes líneas tróncales, y las líneas secundarias las que complementan la red formada por las anteriores dando así un sistema completo de líneas férreas.
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Líneas de vía angosta y ancha
clasificación corresponde al nivel de servicio que prestan las líneas
férreas, sin tener en cuenta si es una línea principal o secundaria, es decir que una línea principal no necesariamente debe ser de línea ancha o que una secundaria sea de línea angosta, ya que ello dependerá de los aspectos de
servicio que son relacionados a la construcción. El ancho de la vía, definida como trocha de vía, es la separación entre rieles, como se muestra en la figura.
4.- DATOS GENERALES DEL PROYECTO
Localización del proyecto
Nuestra Señora de La Paz
Chuquiago marka
Bandera
Escudo
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Localización de {{{nombre completo}}} en {{{mapa_loc}}}
Ubicación de La Paz en Bolivia
País Bolivia
• Provincia Pedro Domingo Murillo
• Department La Paz
Ubicación
16°30′8″S 68°09′56″O-16.50222, -
68.16556Coordenadas: 16°30′8″S 68°09′56″O-16.50222, -
68.16556 (mapa)
• Latitud 16°30′0″S
• Longitud 68°08′0″W
• Altitud 3650 (11 942 ft) msnm
Población
• Total (2010
) 845 480 hab.
•
metropolitan 2 030 422 hab.
• Densidad 4132,72 hab./km²
Gentilicio Paceño(-a)
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5.- DATOS DEL PROYECTO PARA EL DISEÑO
6.- DESARROLLO PRÁCTICO
Dimensionamiento de la sección de riel
Seleccionamos el perfil adecuado teniendo en cuenta que en América existe un
perfil máximo de 90 lb/yd
INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO
TIPO DE LOCOMOTORA DE DISEÑO
Bo – Bo - Bo
PESO DE LA LOCOMOTORA 80 [ ]
UBICACIÓN DEL PROYECTO LA PAZ - BOLIVIA
RIGIDEZ DE LA VIA A DISEÑAR 7 [ ]
ANCHO DE VIA ANGOSTA 1000 [ ]
MODULO DE ELASTICIDAD DE LA PLAFORMA Ep [ ]
COEFICIENTE DE IMPACTO i= 70%
TENSION RESIDUAL (CALIDAD DEL RIEL)
CONSIDERAR TUBERIA CON DIAMETRO
DISPONIBILIDAD DE MATERIAL DE CAPA
65 cm 700 – 1700 Kg/cm2
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PESO RIEL PESO RIEL d f g Area Ix W o S
lb/yd kg/m cm cm cm cm2 cm4 cm3
ASCE Ligero 30 14.9 7.94 7.94 4.29 19.35 170.65 41.79
ASCE Ligero 40 19.9 8.89 8.89 4.76 25.42 272.22 58.83
ASCE Ligero 50 24.8 9.84 9.84 5.4 31.61 420.39 83.57
ASCE Ligero 60 29.8 10.8 10.8 6.03 38.26 607.7 108.81
ASCE 70 34.8 11.75 11.75 6.19 43.94 819.98 134.21
ASCE 80 39.7 12.7 12.7 6.35 50.71 1089.85 165.51
ASCE std. 85 42.2 13.18 13.18 6.51 53.74 1252.86 181.9
ASCE std. 100 49.7 14.61 14.61 6.99 63.48 1831.86 239.25
Bethlehem Crane 104 51.6 12.7 12.7 6.35 66.45 2072.83 175.34
Bethlehem Crane 135 67 14.61 13.18 8.73 85.81 2114.46 283.5
Bethlehem Crane 171 84.9 15.24 15.24 10.92 108.39 3055.14 401.48
Bethlehem Crane 175 86.9 15.24 15.24 10.8 110.32 2934.43 383.46
RIEL
SECCIONES - DIMENCIONES - PROPIEDADES
TIPO CLASIF.
Perfil asumido: 80 Lb/yd
Obtenemos el modulo de vía “U”, para el cual tenemos dos formas:
Aproximamos el modulo de vía despejando la ecuación de rigidez de Talbot:
√
√
[ ]
Dónde:
K: Rigidez vertical de la Vía (Kg/cm) = 7 (Tn/mm)
U: Modulo de Vía (Kg/cm2) = U
E: Modulo de elasticidad (Kg/cm2) = [ ]
I: Momento de Inercia (cm4) = 1089.85cm4
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√
[ ]
[ ]
Redondeamos a [ ]
También se puede estimar el valor de u mediante tablas:
U K U K U K U K U K U K U K U K U K U K U K U K
100 1.2 100 1.4 100 1.5 100 1.7 100 1.8 100 2.0 100 2.0 100 2.2 100 2.3 100 2.3 100 2.5 100 2.5
200 2.1 200 2.3 200 2.6 200 2.8 200 3.1 200 3.3 200 3.4 200 3.7 200 3.9 200 3.9 200 4.3 200 4.2
300 2.8 300 3.2 300 3.5 300 3.9 300 4.2 300 4.5 300 4.6 300 5.1 300 5.2 300 5.3 300 5.8 300 5.7
400 3.5 400 3.9 400 4.4 400 4.8 400 5.2 400 5.5 400 5.7 400 6.3 400 6.5 400 6.5 400 7.2 400 7.1
500 4.1 500 4.6 500 5.2 500 5.7 500 6.1 500 6.6 500 6.8 500 7.4 500 7.7 500 7.7 500 8.5 500 8.4
600 4.7 600 5.3 600 5.9 600 6.5 600 7.0 600 7.5 600 7.8 600 8.5 600 8.8 600 8.9 600 9.7 600 9.6
700 5.3 700 6.0 700 6.6 700 7.3 700 7.8 700 8.4 700 8.7 700 9.6 700 9.9 700 9.9 700 10.9 700 10.8
800 5.9 800 6.6 800 7.3 800 8.0 800 8.7 800 9.3 800 9.6 800 10.6 800 10.9 800 11.0 800 12.0 800 11.9
900 6.4 900 7.2 900 8.0 900 8.8 900 9.5 900 10.2 900 10.5 900 11.6 900 11.9 900 12.0 900 13.2 900 13.0
1000 6.9 1000 7.8 1000 8.7 1000 9.5 1000 10.2 1000 11.0 1000 11.4 1000 12.5 1000 12.9 1000 13.0 1000 14.2 1000 14.1
1100 7.4 1100 8.4 1100 9.3 1100 10.2 1100 11.0 1100 11.8 1100 12.2 1100 13.5 1100 13.9 1100 13.9 1100 15.3 1100 15.1
1200 7.9 1200 8.9 1200 9.9 1200 10.9 1200 11.7 1200 12.6 1200 13.1 1200 14.4 1200 14.8 1200 14.9 1200 16.3 1200 16.2
1300 8.4 1300 9.5 1300 10.6 1300 11.6 1300 12.5 1300 13.4 1300 13.9 1300 15.2 1300 15.7 1300 15.8 1300 17.3 1300 17.2
1400 8.9 1400 10.0 1400 11.2 1400 12.2 1400 13.2 1400 14.2 1400 14.7 1400 16.1 1400 16.6 1400 16.7 1400 18.3 1400 18.1
1500 9.4 1500 10.5 1500 11.8 1500 12.9 1500 13.9 1500 14.9 1500 15.4 1500 17.0 1500 17.5 1500 17.6 1500 19.3 1500 19.1
84.90
2114.46 3055.14 2934.43
Ix
170.65 272.22 420.39 607.70 819.98
14.90 19.86 24.83 29.79
2072.83
51.64
1098.85 1252.86 1831.42
80.00 85.00 100.00 104.00
86.8934.76 39.72 42.20 49.65 67.03
135.00 171.00 175.00
Peso Nominal/metro [Kg/m]
PESO DEL RIEL [lb/yd]
30.00 40.00 50.00 60.00 70.00
Entonces interpolamos para el valor de k de 7 [Tn/mm]
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Si : 500 6.6
X 7.0 600 7.5
Entonces :
[ ]
Redondeamos a [ ] se considera para el diseño Para verificar igualamos a la ecuación:
admfti
Tensión interna residual [ ]
La tensión interna residual [ ] es el dato que se adopta según la calidad de riel, estando este entre 5 y 10
El valor asumido por dato es de: [ ]
Tensión por temperatura [ ]
[ ]
Asumimos las temperaturas obtenidas de la table de Wikipedia
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Utilizamos La temperatura Anual para el cálculo:
[
]
[
]
Tensión por flexión o del patín.-
Dónde: M = Momento flector máximo (Asumimos el menor momento calculado
por las hipótesis)
W = Modulo resistente del perfil (Tabla adjunta Secciones de riel)
Ci= Coeficiente de impacto (Dato Ci=1.70)
f = Tensión por flexión
Calculo de momentos:
Para el cálculo de momentos necesitamos las dimensiones de la durmiente, las cuales vienen normadas y serán explicadas más adelante.
Considerando el tipo de locomotora tenemos la siguiente tabla:
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Donde tenemos como dato una locomotora Bo – Bo – Bo para lo cual utilizamos la fórmula de “Q”
[ ]
Asumimos el Valor de k:
Fuente:
http://asesoramentotecnico.coag.es/wp-content/uploads/2008/07/fe03.pdf
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Como dato tenemos una Arcilla Media la cual asemejamos a una Arcilla Seca de la cual obtenemos una rango de valores entre 6 – 9 y utilizamos en
promedio un valor de:
[
]
Datos para Hallar los momentos:
Método de Zimermann:
√(
)
L =84.62 cm
*
+
*
+
[ ]
MOTOR Bo-Bo-Bo (Tn) 78
ANCHO DE TROCHA(mm)= 1000
SEPARACION d(cm)= 60
l(cm) 200
s(cm) 106.35
PESO DE RIEL(lb/yd) 80
Q(kg)= 7750
b(cm)= 24
k(kg/cm3)= 7.5
x1(cm)= 220
x2(cm)= 290
E(kg/cm2)= 2.10E+06
I(cm4)= 1098.85
x0(cm) 0
U(kg/cm2) 545
Impacto(ci) 1.7
Datos y consideraciones
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[ ]
[ ]
Método de Talbot:
√(
)
L =64.15 cm
√
*
+
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√
*
+
[ ]
[ ]
[ ]
Teoría de Timoshenko:
L √
L =75.71 cm
√
* +
*
+
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√
* +
*
+
[ ]
[ ]
[ ]
Teoría de Sallor Hunkev
√
L = 75.71
√
*
+
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√
*
+
[ ]
[ ]
[ ]
Entonces tenemos:
Utilizamos el Momento [ ], debido a que
es el menor momento aplicable pero que es un dato seguro al
ser hallado por un método confiable.
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[ ]
Por lo tanto verificamos la ecuación:
admfti
Dimensionamiento del Durmiente.-
Figura. Vista general de durmientes
VERIFICA!!!!!!!!!!
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Figura. Corte trasversal durmiente – riel
El diagrama de esfuerzos se debe cumplir para un:
Para lo cual requerimos los siguientes datos:
K = Coeficiente de reacción del suelo (Coeficiente de Balasto)
b, l = Ancho y lardo del durmiente
d = Separación de durmiente a durmiente
S = Ancho de la trocha de la vía
Coeficiente de Balasto:
El coeficiente de Balasto fue anteriormente hallado con ayuda de la tabla
obtenida de:
http://asesoramentotecnico.coag.es/wp-content/uploads/2008/07/fe03.pdf
[
]
Dimenciones del Durmiente.-
Con los datos de proyecto y la ayuda de la adscripción utilizamos los
datos:
Añadimos una separación de durmiente de considerando una vía
relativamente liviana asumimos primeramente un valor de 60 cm (este
valor será modificado en caso de no cumplirse el esfuerzo)
T a S
(m) (cm) (cm) b h l
(cm) (cm) (cm)
Angosta 1 6.35 106.4 24 12 200
Media 1.44 30 15 250
Ancha 1.68 36 18 270
DESCRIPCIÓN DE LA VIA DERREATROCHA DE
LA VIA
SECCIÓN DURMIENTE
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Figuras. Vista en planta de la separación de durmiente a durmiente
Calculo de la fuerza vertical
Partimos de la ecuación:
Donde:
Utilizamos los valores de x y L de la metodología de Talbot debido a que de ese
método sacamos el momento maximo
(
) (
)
(
) (
)
(
) (
)
(
) (
)
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VERIFICA!!!!!!!!!!
Ahora sabemos que:
Donde:
f = 12.7 cm (propiedad del perfil en tabla anexada)
b= 24cm (por tipo de durmiente también en tabla anexada)
Diseño a flexión.-
22 /135)/( cmKgcmKg adm
Donde:
VERIFICA!!!!!!!!!!
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VERIFICA!!!!!!!!!!
Dimensionamiento de la altura de balasto
En el diseño de la base de una vía férrea los esfuerzos y deformaciones
depende de la relación de los módulos de elasticidad de la subrasante y de la
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capa base
Relación modular
El Eb se considera en el rango de ( 700 Kg/cm2 - 1700 Kg/cm2 ) Dato
proporcionado se asume considerando material de buena calidad chancado de un banco de préstamo un dé Eb=1700Kg/cm2
El Ep se considera de acuerdo a las condiciones de la subrasante en este caso
Arcilla media material predominante en la zona de emplazamiento de la tabla
siguiente se considera:
Un valor de Arcilla areno limosa media : 500 – 2000 del cual optamos
1500tn/m2 = 150kg/cm2
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Asumimos una altura hb máxima de hb = 120 cm
Y un C de radio de placa estándar c = 15.22 cm
Con estos datos entramos al abaco de Odemark
Con los valores hallamos un F = 0.12
Asentamiento admisible
=0.928
Asentamiento real producido por:
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NO VERIFICA!!!!!!!!!!
Los datos de una Arcilla Media con una rigidez vertical de 7tn/mm son
incoherentes y no nos dan un acercamiento óptimo a la verificación, sin
embargo la falla se encuentra en los datos del proyecto, para solucionarlo se
podría mezclar el balasto con cemento para una mayor resistencia, o aumentar
a más del máximo la altura del balasto.
Sin embargo al ser un proyecto académico continuamos con las siguientes
verificaciones.
ABACO DE ODEMARK
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h / c
Aplicando los principios de la teoría de fox
Tenemos:
√
√
(
)
Seguidamente hallamos:
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VERIFICA!!!!!!!!!!
Despejamos para igualar
(
)
(
)
Finalmente Ingresamos al Abaco de fox con h= 120cm
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VERIFICA!!!!!!!!!!
Ep/Ed = 11.3
Lo que en el Abaco nos da un valor de 0.035
(
)
Dimencionamieto de una obra hidráulica
Se quiere que se atraviese perpendicularmente al eje de riel tubería de plástico
de un diámetro de que se ubicara a 35cm de la sub rasante.
Para tal caso se calcula la variación de la presión que genera una carga
puntual P en este caso la carga mencionada es igual a Q (Peso por rueda de la
locomotora), de acuerdo a Boussinesq el incremento de esfuerzos a cualquier
profundidad se calcula con la siguiente relación:
{
[( )
]
}
Dónde:
Q = P = 6500 Kg (Carga puntual por rueda de la locomotora)
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Z = 120 + 35 cm (Profundidad de la subrasante a la tubería)
r = 30 cm (Distancia horizontal del punto de aplicación de Q a la tubería)
Reemplazando los valores:
{
[(
)
]
}
Resolviendo la ecuación:
= 0.122 Kg/cm2
Figura. Vista transversal de la tubería
La resistencia de esfuerzos de la tubería pvc según la fuente:
http://www.tuberiadepvc.mx/
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Tuberia de PVC hasta 235 psi de esfuerzo y desde ½ hasta 48 pulgadas de
diámetro ideales para el transporte de agua potable y sistemas de irrigación
para aplicaciones de agricultura y campos de golf. Sistema de unión con
campana y anillo conforme a la norma ASTM F477 y ASTM D3139.
235psi = 16.7kg/cm2
Lo cual se refiere a un incremento de menos del 0.8% la tubería no
debería tener problemas por el esfuerzo de la locomotora.
7.- PRESENTACION DE RESULTADOS
Resumen de Resultados finales
RIEL = 80 Lb/Yd
Características del riel: I = 1098.85 cm4
W = 165.51 cm3
DURMIENTE:
Ancho b = 24 cm
Largo l = 200 cm
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Alto h = 12 cm
Material = Madera
Coeficiente de balasto k = 7.5 Kg/cm2
Distancia entre durmientes d = 60 cm
Módulo de Vía U = 545 Kg/cm2
Rigidez K = 7 Tn/mm
Altura de balasto = 120 cm
Módulo de elasticidad del balasto Eb = 1700 Kg/cm2
Módulo de elasticidad de la plataforma Ep = 150 Kg/cm2
Resumen de Resultados Secundarios
Momento Máximo en el riel [ ]
Longitud de la elástica L = 64.15 cm
Cortante en el durmiente V = 4634.28 Kg
Peso por rueda de la locomotora Q = 6500 Kg
Asiento máximo Yo = 1.55 mm
Asiendo real generado por So = 1.53 mm
Tubería de plástico “PVC”
8.- ANALISIS DE RESULTADOS
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En cuanto a los resultados obtenidos se puede observar que los resultados son
coherentes para los datos y condiciones proporcionados por el docente de la
asignatura, con la excepción de la verificación del Balasto, donde en el ábaco
de ODEMARK los datos no son los correctos para cumplir con la verificación
correspondiente, pero que por ser un proyecto académico se continúo con el
cálculo.
9.- CONCLUSIONES
La elaboración académica de un proyecto de diseño de vía férrea completo nos
permite poder desenvolvernos en un futuro como profesionales teniendo todos
los conceptos claros sobre los cálculos conceptos y consideraciones a tomar el
momento de diseñar una vía en condiciones reales.
10.- RECOMENDACIONES
Manejar correctamente los conceptos teóricos
Manejar correctamente las ecuaciones para los cálculos prácticos
Apoyarse en programas de calculo para mayor precisión como se excele,
mathcad, programas de diseño de rieles, etc
Revisar manejar correctamente los datos obtenidos de laboratorios
11.- BIBLIOGRAFIA
Texto guía de la materia VIAS FERREAS ( Adscripción)
www.wikipedia.com/
www.monografías.com/Vias/
http://www.tuberiadepvc.mx/
http://asesoramentotecnico.coag.es/wp- content/uploads/2008/07/fe03.pdf
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INDICE
1.- INTRODUCCION Y GENERALIDADES ............................................................... 1
2.- OBJETIVOS.- ..................................................................................................... 2
Objetivo General.- ..................................................................................................... 2
Objetivos específicos.- ............................................................................................... 2
3.- MARCO TEORICO: ............................................................................................ 2
Definición de una vía férrea ...................................................................................... 2
Clasificación ............................................................................................................. 2
Líneas principales y secundarias .............................................................................. 2
Líneas de vía angosta y ancha .................................................................................. 3
4.- DATOS GENERALES DEL PROYECTO .............................................................. 3
Localización del proyecto .......................................................................................... 3
5.- DATOS DEL PROYECTO PARA EL DISEÑO ...................................................... 5
6.- DESARROLLO PRÁCTICO ................................................................................. 5
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Univ. Castellon Aguilar Mauricio Agustin 32
Dimensionamiento de la sección de riel .................................................................... 5
Dimensionamiento del Durmiente.- ........................................................................ 16
Dimensionamiento de la altura de balasto .............................................................. 20
Dimencionamieto de una obra hidráulica ............................................................... 26
7.- PRESENTACION DE RESULTADOS ................................................................ 28
Resumen de Resultados finales .............................................................................. 28
Resumen de Resultados Secundarios ..................................................................... 29
8.- ANALISIS DE RESULTADOS ........................................................................... 29
9.- CONCLUSIONES .............................................................................................. 30
10.- RECOMENDACIONES ...................................................................................... 30
11.- BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 30