miércoles, 23 de noviembre de 2016

Paragolpes: Las estructuras para parar un tren

Ingeniería Ferroviaria

Hace poco me he visto en vuelto en el cálculo de una de las estructuras mas curiosas de las que han pasado por mis manos en un buen tiempo. Se trata del cálculo de unas “toperas o topes”, las estructuras encargadas de parar el tren cuando todo falla. Cosa que pasa más a menudo de lo que nos creemos:

En este post os explico cómo calcular la Fuerza de Impacto a tener en cuenta en el cálculo de una topera, qué comprobaciones hay que realizar al cuerpo de la topera y cómo plantear el cálculo del armado si se pretende hacerla de hormigón.

Básicamente una topera debe resistir una sola clase de acción, la de impacto de un tren cuando algo falla. Podríamos decir que se trata de una situación accidental.

Pero, ¿cómo estimar esa fuerza de impacto?

El factor mas importante en la estimación de la fuerza de impacto es, obviamente, la masa del tren que circula y su velocidad. Pero por otro lado, también es importante conocer el sistema hidráulico dispuesto en la topera para disipar la energía de impacto.


Estos dispositivos hidráulicos son capaces de disipar energía en función de su tamaño y su carrera (recorrido del tope dentro de su cilindro) disminuyendo la fuerza de impacto finalmente transmitida a la topera.

Para estimar la fuerza de impacto, primeramente hay que estimar la energía cinética que tiene el tren que va a impactar:

Donde M es la masa del tren y V es su velocidad en el momento de impacto.

Para que os hagáis una idea, os dejo una lista de trenes que circulan por España con sus masas:


La fuerza de impacto para nuestra topera debida a esta energía cinética viene dado entonces por la expresión:

Donde S es el recorrido del tope hidráulico y ξ es el factor de eficacia de tope hidráulico que depende del fabricante pero que suele rondar el valor de 0,8.

A esta fuerza de impacto habría que sumarle la fuerza motriz Fd del motor del tren si en el momento del impacto este se encuentra acelerando.


Como podéis observar, hay cierta capacidad de mitigar la fuerza de impacto a costa de asumir un mayor recorrido en nuestro tope hidráulico. En verdad, las casas de topes hidráulicos ofrecen distintos topes con cargas máximas y con distintos recorridos. Pero llega un momento que el máximo tope que se fabrica es capaz de transmitir una fuerza máxima (rondando los 700 KN) y solo aumentando el recorrido mitigan el exceso de energía. Con esta fuerza máxima por tope podemos llegar a asumir impactos de hasta 1400 KN (dos topes con 700 KN cada uno).

Una vez obtenido esta fuerza de impacto el paso siguiente es calcular las dimensiones de la topera para que cumpla con los Coeficientes de Seguridad al Deslizamiento y al Vuelco. Se trata, como hacemos en los muros, de considerar todas las fuerzas y momentos actuantes tanto desestabilizadoras como estabilizadoras y ver su relación:


Con:

Fi= fuerza total te impacto

W= peso de la topera

Weje = peso del eje del tren si este pisa la zapata de la topera

Froz= Fuerza de rozamiento debido a todas las masas que gravitas (W+Weje)

Ep = empuje pasivo del terreno tras la topera.

El valor de los coeficientes de seguridad ante el deslizamiento y al vuelco podrían ser 1,10 y 1,50 respectivamente si hacemos caso a los coeficientes de seguridad propuestos según la “Guía de Cimentaciones para Obras de Carretara” para cimentaciones superficiales en situación accidental:


Finalmente, una vez obtenidas las dimensiones del macizo de la topera que cumplen con dichos coeficientes de seguridad, hay que armar la topera. Para eso es necesario diseñar un modelo de bielas y tirantes, ya que tenemos una región D, que dependerá mucho de la forma de vuestra topera pero que más o menos tendrá la pinta siguiente:

El estudio de las toperas tiene mucho tiempo, casi el mismo que el propio ferrocarril:


Por eso, ADIF (Administrador De Infraestructuras de Ferrocarriles en España) tiene ya prefijados varios modelos de toperas de las que os dejo unas imágenes para que os hagáis una idea de las dimensiones y armado:

– Topera para cargas medias:



– Topera para altas prestaciones:



Espero que os haya resultado interesante.

Fuente: Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera. Ministerio de Fomento
Fichas técnicas ADIF y Estructurando.com

1 comentario:

  1. Sr. CS: está bueno recibir periódicamente notas de este tenor.
    Sirven para distender un poco el clima de tensión por razones sindicales.
    Javier.

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