SECCIÓN 5 OBRAS DE ARTE

RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
SECCIÓN 5
OBRAS DE ARTE
Santiago de Chile, 2003
MIDEPLAN - SECTRA
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
CONTENIDO
SECCION 5 OBRAS DE ARTE
5.1
General
5.2
Definición de Parámetros Básicos
5.2.1 General
5.2.2 Carga Viva o Tren Tipo de Cálculo
5.2.3 Coeficiente Dinámico o Impacto, ϕ
5.2.4 Consideración de la Velocidad
5.2.5 Flecha y Contraflecha
5.2.6 Fuerza Longitudinal de Frenaje
5.2.7 Empuje de Tierras
5.2.8 Apoyos
5.2.9 Fuerza Centrífuga
5.2.10 Presión de Viento
5.2.11 Choque Lateral
5.2.12 Tableros Abiertos
5.2.13 Esfuerzo Sísmico
5.2.14 Puentes con Tablero para Vías Múltiples
5.2.15 Efecto Térmico
5.3
Fundaciones de Puentes
5.4
Materiales a Utilizar en los Tramos de Puentes
5.4.1 General
5.4.2 Acero Estructural
5.4.3 Hormigón Armado
5.4.4 Otros Materiales
5.5
Viaductos o Pasos Inferiores
5.6
Alcantarillas
5.7
Ductos Subterráneos
5.8
Gálibo de Túneles
5.9
Pasos Superiores
5.10 Cierros de la Vía
5.10.1 General
5.10.2 Cierros para Zonas Urbanas muy Pobladas y Entornos de Estaciones
5.10.3 Cierros para Zonas Urbanas Medianamente Pobladas
5.10.4 Cierros para Zonas Rurales
5.11 Obras de Arte Complementarias
5.11.1 Obras Provisionales
5.11.2 Obras Definitivas
5.12 Evaluación de Obras Existentes
5.12.1 General
5.12.2 Recomendaciones para Reforzar Puentes de Acero
5.13 Normas Pertinentes
5.13.1 Normas Obligatorias
5.13.2 Normas Recomendables
5.14 Gráficos y Esquemas en Anexo
5.15 Bibliografía
ANEXO
5-1
5-1
5-2
5-2
5-2
5-4
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5-6
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5-9
5-9
5-9
5-10
5-10
5-10
5-10
5-11
5-12
5-12
5-13
5-14
5-15
5-15
5-16
5-16
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5-17
5-18
5-18
5-19
5-19
5-19
5-19
5-19
5-20
5-21
5-21
5-21
5-23
5-23
5-23
5-23
5-25
5-27
MIDEPLAN - SECTRA
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
SECCION 5
5.1
PAGINA
5-1
OBRAS DE ARTE
General
Las siguientes definiciones son útiles en los proyectos de Obras de Arte
ferroviarias.
Alcantarilla: estructura de luz igual o menor a 4 metros, con una diversidad de
formas de acuerdo al tipo de diseño, como por ejemplo: marcos cerrados de
hormigón armado, tubos de acero laminado o corrugado, losas prefabricadas.
Atarjea: alcantarilla abierta en su cara superior, es decir, acequias o canales
revestidos que atraviesan bajo las vías férreas. No pueden superar los 60 cm de
ancho para no discontinuar la ubicación normal de los durmientes de trabajo de la
vía, motivo por el cual no es aconsejable construir nuevas atarjeas.
Gálibo ferroviario: espacio mínimo, libre de obstáculos, que deben tener las obras
ferroviarias para que puedan circular todos los trenes en operación por la vía
férrea.
Infraestructura de un Puente: es la fundación de un puente, es decir, los estribos
como apoyos extremos, y las cepas o pilas como apoyos intermedios.
Longuerinas: vigas longitudinales, generalmente ubicadas debajo de los rieles,
por lo que reciben directamente el peso por rueda del tren.
Obra de Arte Ferroviaria: toda estructura que sirva para sortear un obstáculo,
natural o artificial, que se interponga a la continuidad de las vías férreas, y que
debe ser calculada para resistir el tráfico de trenes.
Paso Inferior: puente mayor o menor, según su luz, cuyo objetivo específico es
cruzar a desnivel un camino o vía vehicular.
Puente mayor, o simplemente Puente: estructura con luz libre igual o mayor a 10
metros, o con varias luces menores pero que sumadas, totalizan un largo igual o
mayor a 20 metros.
Puente menor: estructura que tiene luces de 4 a 10 metros y que sumadas, tiene
un largo total menor a 20 metros.
Sifones: alcantarillas que permiten pasar líquidos por una cota inferior a sus bocas
de entrada y salida.
Superestructura de un Puente: se refiere a la estructura soportante del tren, es
decir, los tramos del puente.
Tablero: carpeta de rodado de un tren por un puente, que consta, generalmente,
de travesaños, longuerinas, durmientes y rieles.
Talud natural: pendiente del ángulo que forma el derrame de un terreno con la
horizontal. Para este ángulo natural o uno menor, no es necesario revestir los
taludes.
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RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
Terraplén de la vía férrea: Es el suelo natural o modificado que sirve de
plataforma a la vía férrea y que se encuentra a una cota superior a la de los
sectores laterales, por lo cual debe tener a lo menos el talud natural del suelo.
Travesaños: vigas transversales al eje de la vía férrea, que llevan los esfuerzos a
las vigas principales del puente.
Túneles: pueden ser excavaciones en cerros, galerías subterráneas, o cobertizos
preparados como defensa ante rodados que tienen en común el gálibo ferroviario.
Vía superior: se dice que un puente ferroviario es de vía superior cuando sus
vigas principales –enrejadas o de alma llena- están bajo el tablero del puente.
Vía inferior: se dice que un puente ferroviario es de vía inferior cuando sus vigas
principales –enrejadas o de alma llena- están invertidas con respecto al tablero del
puente.
5.2
Definición de Parámetros Básicos
5.2.1
General
Se establecerán los parámetros básicos para el diseño y cálculo de las obras de
arte ferroviarias considerando la tradición en la Empresa de Ferrocarriles del
Estado, y diferentes normas aprobadas en el cálculo de estas estructuras en lo
concerniente a conceptos específicos aplicados a ferrocarriles. En los demás
conceptos, se aplicarán los parámetros normales al diseño y cálculo de obras en
general.
5.2.2
Carga Viva o Tren Tipo de Cálculo
El tren tipo de cálculo es un tren ficticio de cargas, que debe tener la característica
de producir, en cualquier luz de cálculo, momentos máximos superiores a los
momentos que se produzcan con cualquier tren real de la red ferroviaria.
En los inicios de la red ferroviaria chilena, se utilizaron cargas uniformemente
repartidas para el cálculo de los puentes; sin embargo ya a comienzos del siglo 20
se empezaron a aplicar los Trenes Tipo de la norma alemana DIN, como fueron los
trenes tipo G, E y N. Actualmente quedan algunos puentes en la red de EFE
calculados con el tren N, los cuales no ha sido necesario reforzar para soportar las
mayores cargas actuales, debido a que los esfuerzos máximos considerados con
este Tren Tipo son mayores que los producidos por el Tren Tipo C de EFE, que es
el que presenta las mayores solicitaciones. Ejemplo de este caso es el puente
Renaico, en el Km 550,690 de la Línea Central Sur.
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5-3
En EFE existen diversos trenes tipo, señalados en la “Norma Técnica Para el
Cálculo de Puentes Metálicos” del año 1947. De estos trenes tipo, el que presenta
mayores solicitaciones, traducidas principalmente en su peso por eje, es el Tren
Tipo C, equivalente a un tren oficializado por Decreto Supremo en el año 1907
aumentado en un 50 %. Su esquema de cargas es el siguiente:
ESQUEMA 5-1
Este tren tipo es el que se utiliza actualmente en EFE debido a que la mayoría de
los refuerzos de los antiguos puentes se calcularon para este tren. También en la
norma citada se recomienda usar este Tren Tipo C aumentado en 20 %, para el
cálculo de obras con luces iguales o menores a 4 metros, es decir en obras
menores, vigas longuerinas y longuerinas-consolas.
Las tablas para encontrar los momentos de flexión y esfuerzos de corte máximos
para distintas luces de tramos simplemente apoyados, cargados con el tren tipo C,
se encuentran en la norma EFE citada anteriormente.
Sin embargo, en los nuevos proyectos de puentes, mayores y menores, se
recomienda utilizar el Tren Tipo Cooper E 80 (80.000 libras/eje) de la Norma
AREMA de los Estados Unidos, el que presenta solicitaciones considerablemente
mayores que el Tren Tipo C. Esta recomendación se basa en la tendencia mundial
de aumentar la capacidad de carga de los carros y el tamaño de las locomotoras,
con pesos brutos que producen cargas cercanas a las 40 toneladas por eje.
ESQUEMA 5-2
En el Capítulo 15 de las normas AREMA mencionadas se entrega una tabla para
encontrar los momentos y esfuerzos de corte máximos para distintas luces de
tramos cargados con este tren tipo, la cual se incluye en anexos de esta Sección.
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5-4
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Estas tablas se han confeccionado utilizando el método tradicional de cálculo para
cargas móviles y cargas repartidas de peso propio, por líneas de influencia, por lo
tanto, es posible verificarlas mediante un programa computacional adecuado.
En el antiguo Manual del Ingeniero “Hütte” se pueden encontrar las tablas para los
trenes tipo de la norma alemana DIN y la explicación de cómo se confeccionaron.
En el caso de puentes con tablero lleno de hormigón armado, se puede diseñar con
una carga repartida equivalente al momento máximo maximórum correspondiente a
la luz de diseño simplemente apoyada:
QEQ =
En que
5.2.3
8M MAX × ϕ
L2
QEQ es la carga repartida equivalente
MMAX es el momento máximo maximórum
φ es el coeficiente dinámico
L es la luz del tramo
Coeficiente Dinámico o Impacto, ϕ
Este coeficiente es el que mayora la carga viva para considerar los esfuerzos
adicionales de origen dinámico.
Actualmente, siguen vigentes en EFE los coeficientes tabulados en la “Norma
Técnica Para el Cálculo de Puentes Metálicos” dados por las siguientes fórmulas:
Puentes con durmientes sobre vigas:
ϕ = 1,19 +
21
L + 46
Puentes con tablero lleno:
ϕ = 1,11 +
56
L + 144
En la nueva norma de EFE para el cálculo de puentes, en proceso de oficialización,
se recomienda el uso de la fórmula de las normas internacionales UIC, debido a
que los equipos actuales en vías soldadas, no producen los impactos que se
consideraban con las antiguas locomotoras a vapor y con vía eclisada. La Norma
UIC establece que:
ϕ=
1,44
+ 0,82
L − 0,2
De esta última fórmula es posible deducir los siguientes valores de aplicación
práctica:
Para luces de
0 a 9 m:
10 a 60 m ,
Para luces de
Para luces mayores de 61 m:
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ϕ = 1,53
ϕ = 1,30
ϕ = 1,05
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RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
5.2.4
5-5
Consideración de la Velocidad
Como puede observarse en las fórmulas del coeficiente dinámico, la velocidad no
está directamente involucrada en el diseño de los puentes para ferrocarriles.
Tradicionalmente se ha subentendido una velocidad máxima de los trenes entre
120 y 140 km/h y, cuando las deflexiones y/o vibraciones de los puentes han
superado los valores esperados considerados seguros, se ha reducido las
velocidades máximas de circulación en los puentes.
Como este problema pasa por una inspección subjetiva, es que no ha sido normado
por los ferrocarriles chilenos; además, las normas extranjeras se refieren a
estructuras que tienen un seguimiento permanente del mantenimiento, tanto del
estado físico del puente como de parámetros dinámicos, por ejemplo, la flecha
dinámica.
Las normas de los ferrocarriles japoneses, JNR, establecen la siguiente relación
β entre la capacidad actual de un puente y su capacidad original y de ella
establecen la velocidad a la que deben circular los móviles por él:
β=
En que:
σ adm × y − σ pp
σ ( sc +ϕ )
σadm es la fatiga admisible de mantenimiento = 1,25 σdiseño
y es la razón entre el área actual, según el mantenimiento que haya
tenido la estructura, y el área original, por ej. si el deterioro se
considera de un 5%, y = 95/100 = 0,95
ϕ es el coeficiente dinámico
σpp es la fatiga producida por el peso propio, o carga muerta
σ(sc+ϕ) es la fatiga producida por la carga dinámica viva
β
β
β
> 1 para el ϕ de cálculo
= 1 para el ϕ mínimo aceptable
< 1 → factor de seguridad 0
La Norma UIC 776-1 señala una mayoración dinámica en función de la velocidad,
es decir, el aumento de la velocidad original (o velocidad aceptada hasta el
momento del cálculo) según el estado de la vía del puente:
Si la vía está en medianas condiciones, se mayora con 1 + φ’ + φ’’
Si la vía está en muy buen estado, se mayora con 1 + φ’ + 0,5φ’’
Estos coeficientes están definidos en dicha norma y se relacionan con la frecuencia
propia del puente, la que se calcula según la expresión siguiente:
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5-6
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η=
donde
5,6
f0
[Hz]
fo = flecha de peso propio en cm.
φ’ = K / (1-K + K4 ) ;
K = v / (2 η L)
φ’’ = a/100 [ 56 e –L²/100 + 50( η L/80 -1) e –L²/400]
v = velocidad en m/seg
L = luz del puente en m
e = base de logaritmos naturales, 2,71828...
a = v/22 para velocidades hasta 22 m/seg (≈ 80 km/h)
a = 1 para velocidades superiores a 22 m/seg
Como se puede observar, las normas extranjeras citadas corresponden a
situaciones de mantenimiento sistemático y conocimiento de estadísticas que en
nuestro país prácticamente no existen.
Por lo tanto, para efectos prácticos en EFE se ha establecido que los puentes
existentes, con su vía en buen estado de fijación y sujeción y con la flecha
admisible, si son de vía inferior pueden aceptar hasta 140 km/h, y si son de vía
superior y luces mayores a 20 m (más inestables lateralmente), pueden aceptar
hasta 100 km/h.
Para los nuevos puentes, se recomienda aplicar la norma UIC 776-2, donde se
establecen las deflexiones máximas para puentes de alta velocidad y muy alta
velocidad, según las siguientes definiciones:
Alta velocidad
Muy alta velocidad
5.2.5
120
< V < 200 km/h
V > 200 km/h
Flecha y Contraflecha
En EFE, tradicionalmente se ha utilizado las siguientes flechas admisibles:
Para los tramos metálicos
Para vigas y tableros llenos de hormigón armado
L/900
L/800
La flecha se calcula para el momento de peso propio y para el momento máximo de
carga viva sin impacto.
En vigas de alma llena se recomienda usar la fórmula:
5ML2
∆=
48 EI
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5-7
Y, en casos de vigas compuestas simplemente apoyadas, con momento de inercia
variable, se puede usar:
∆=
5,5ML2
48 EI
en que M e I son los valores del momento de flexión y momento de inercia
calculados en el centro de la viga.
Generalmente, en los puentes ferroviarios se usa como contraflecha de
construcción la equivalente a la flecha por peso propio y, para luces menores a
20 m, se usa una contraflecha igual a 0; en puentes mayores a 50 m se calcula la
contraflecha con la flecha de peso propio más ¼ de flecha por carga móvil.
5.2.6
Fuerza Longitudinal de Frenaje
El antiguo Reglamento Alemán establecía una fuerza de frenaje (cambios bruscos
de velocidad), trasmitida por el contacto rueda-riel hasta los apoyos de los tramos,
equivalente a 1/7 de la carga máxima del tren tipo sobre la luz, sin impacto. Esta
carga longitudinal prácticamente la toma completa el apoyo fijo, y, aunque dicho
Reglamento aceptaba una distribución de 2/3 en los apoyos fijos y 1/3 en los
apoyos móviles, el ingeniero calculista deberá hacer las consideraciones
correspondientes al tipo de material que se usará en cada caso.
En el caso de utilizar placas de neopreno, se puede distribuir el frenaje por igual en
ambos apoyos.
Esta fuerza aparece en las normas UIC y en las japonesas, no así en las
americanas AREMA, sin embargo en Chile siempre se ha usado, y por los
evidentes buenos resultados en el cálculo de los puentes ferroviarios es que se
recomienda su uso para verificar la estabilidad de la infraestructura, es decir en
estribos actuando junto a los empujes de tierra, y en cepas cuando se ponen
apoyos fijos.
5.2.7
Empuje de Tierras
Tradicionalmente en EFE, al no contar con estudios de mecánica de suelos, al
coeficiente de empuje activo por el peso específico de la tierra se le daba el valor
de 0,6 [ton/m³], valor bastante mayor que el que resulta de usar los datos que se
obtienen de los ensayos del terreno.
Esto es favorable para la seguridad del cálculo, pero encarece las obras, por lo que,
dentro de lo posible, se deben considerar los coeficientes de empuje activo, pasivo
y sísmico dados por los estudios de mecánica de suelos.
Además, debe considerarse el empuje producido por la carga móvil, sin impacto,
sobre el estribo. Esta carga debe sustituirse por una capa de tierra equivalente
determinada por la siguiente fórmula:
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5-8
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
heq =
En que:
Cj
dj ×a×P
heq es la altura equivalente de tierra
Cj es el peso por eje del tren
dj es la distancia entre ejes
a es el ancho de distribución de la carga
P es el peso específico de la tierra
Se considera ancho de distribución de la carga al largo del durmiente más 2 veces
la altura del chancado bajo el durmiente por la tangente de 30º. Por lo tanto, el
largo de distribución en el caso de la trocha ancha, es de (2,75 + 0,35) m; y bajo
durmientes de trocha angosta, es de (1,8 +0,35) m.
Para el peso específico de la tierra se utiliza normalmente 1,8 ton/m³, salvo que la
mecánica de suelos diga otra cosa.
Por lo tanto, en trocha ancha, para un Tren Tipo C (24 ton/eje con 1,35 de impacto)
puede usarse heq = 4,2 m
Esta altura equivalente significa un mayor empuje en los estribos debido a la altura
de tierras, sin embargo, se contrarresta con la fuerza resistente que significa poner
esta altura en la zapata de los estribos.
5.2.8
Apoyos
Los apoyos tradicionales para los puentes ferroviarios de vigas de acero, son de
fierro fundido con un σadm = 5.000 kg/cm². En la actualidad se utiliza apoyos de
acero A 37 fundido con σadm= 6.500 kg/cm². Estos apoyos tienen una línea o un
punto como superficie de contacto y se calculan según la fórmula de Hertz:
σ = 0,423
donde:
E× A
b× R
E es el módulo de elasticidad en ton/cm²
A es la reacción en ton
b es el largo de la rótula o rodillo en cm
R es el radio de la rótula o rodillo en cm
Estos apoyos se recomiendan para luces mayores a 20 m; para luces entre 20 m y
10 m se usan las placas metálicas; la superior lisa y la inferior convexa, para
permitir el giro. Para luces menores a 10 m se usan placas lisas. En los Anexos de
esta Sección se entrega un plano tipo de apoyos.
En la actualidad, para luces mayores a 20 m se están usando apoyos importados
similares a los del plano tipo, pero con placas metálicas de acero inoxidable y
superficies en contacto de teflón (Cernoflón), y para luces menores a 20 m, las
placas reforzadas de neopreno (Norma UIC 772-2).
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PAGINA
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
5.2.9
5-9
Fuerza Centrífuga
Entre los puentes existentes, hay algunos con la vía en curva. La fuerza centrífuga
que se produce está dada por la fórmula que considera el esfuerzo vertical, la
velocidad y el radio de la curva, y se aplica a 2 m sobre el borde superior del riel:
Hg =
donde:
P × ϕ ×V 2
127 R
V = velocidad máxima del sector, en km/h
P = peso por eje/m
φ = coeficiente dinámico
R = radio de la curva en m
En esta fórmula, se puede observar por el factor V²/127R que para mantener una
fuerza lateral controlable, para mayores velocidades, mayores deben ser los radios
de curva.
Para cargar aproximadamente igual a ambas vigas principales, se debe tomar en
cuenta en los puentes de vía inferior, que el punto medio del eje del puente se
encuentre al interior, en una distancia igual al tercio de la flecha del arco del eje de
la vía.
En los puentes de vía superior se colocará la vía en curva de manera tal que ambas
vigas trabajen de la misma forma.
Las vigas principales deberán calcularse ambas para el mayor esfuerzo.
5.2.10
Presión de Viento
Tradicionalmente, se ha tomado los valores indicados en el antiguo Reglamento
Alemán, es decir 150 kg/m² para puentes cargados y 250 kg/m² para puentes
descargados. En Chile, debido al clima más benigno que el europeo, se puede
realizar la verificación de la resistencia del puente a este esfuerzo lateral,
considerando una presión de 150 kg/m² sobre la superficie del tren vacío, de 3,5 m
de altura sobre los rieles y sobre la correspondiente superficie de puente, ya sea de
alma llena o reticulado.
5.2.11
Choque Lateral
Los trenes al desplazarse sobre los rieles producen un esfuerzo lateral, llamado
choque lateral o efecto de lazo (lacet), que se ha considerado habitualmente en
6 toneladas, horizontales a la cabeza del riel, independientemente de la carga
vertical existente. Esta carga debe usarse para calcular los arriostramientos de las
vigas principales, junto a los esfuerzos producidos por el viento.
Se debe considerar esta fuerza de 6 ton en un solo riel, en las dos direcciones,
hacia el interior y el exterior de la vía férrea.
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5.2.12
5-10
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
Tableros Abiertos
El tablero abierto, compuesto de travesaños y longuerinas, debe calcularse lo más
rígido posible. Para ello se calculan las uniones a las vigas principales y a los
travesaños respectivamente, con las cargas del Tren Tipo aumentadas en un 20 %.
Las longuerinas deben tener continuidad en los travesaños, para lo cual se calculan
con el 80 % del momento máximo de la viga simplemente apoyada cargada con el
tren tipo más el 20%, y en la unión a los travesaños, se calcula la placa de
continuidad con el 75 % de dicho momento máximo.
Además, debe dársele mayor rigidez vertical a las contraventaciones, uniendo el
plano de las longuerinas con el plano de los arriostramientos de las vigas
principales.
En tableros para doble vía, debe suponerse la carga de tren en ambas vías y en el
mismo sentido.
5.2.13
Esfuerzo Sísmico
El esfuerzo sísmico debe considerarse en el cálculo de los apoyos y en la
verificación de la infraestructura, como una fuerza horizontal correspondiente a un
porcentaje de todas las fuerzas verticales.
Hsis = C x N
En que :
C = factor desplazamiento lateral
Tradicionalmente, se ha estimado el factor de desplazamiento lateral en 0,20. Sin
embargo, según los estudios de estabilidad de los suelos y las zonas del país
puede adoptarse valores menores, pero no se recomienda bajar de 0,15.
5.2.14
Puentes con Tablero para Vías Múltiples
En el caso de diseño de tablero para vías múltiples, la sobrecarga móvil se
considera como sigue:
•
•
•
En doble vía
el 100% en cada una
Con 3 vías
la 3ª vía cargada en 75 %
En la 4ª y más vías la 4ª vía cargada en 50 %.
Por lo tanto, el máximo de trenes simultáneos en vías múltiples, es de 3,25.
5.2.15
Efecto Térmico
Este efecto se considera en los puentes metálicos de más de 50 m de largo y en los
apoyos, para verificar los desplazamientos máximos por cambios de temperatura.
Para el estudio de los efectos térmicos en nuestro país, se consideran temperaturas
extremas de -15º C y +35º C, y temperaturas promedio de 25 a 30 º C.
MIDEPLAN - SECTRA
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
PAGINA 5-11
Los coeficientes de dilatación más usados son:
•
•
•
5.3
Acero estructural
Hormigón
Neopreno
1,2 *10-5
1,0 *10-5
1,43*10-5
Fundaciones de Puentes
Las fundaciones de los puentes nuevos deben diseñarse para una vida útil mínima
de 100 años.
Las fundaciones son obras de hormigón armado que deben ser verificadas con las
normas propias del hormigón. Tradicionalmente, en EFE se han aceptado fatigas
admisibles de suelo entre 2 y 4 kg/cm², pero actualmente deben calcularse con las
fatigas admisibles del suelo indicadas por los ensayos de suelos.
La verificación de la fatiga admisible, se realizará con el 100 % de los esfuerzos
producidos por el tren de carga mayorado con el coeficiente dinámico:
Peso propio + Sobrecarga + Frenaje
Peso propio + Sobrecarga + Sismo
en caso de apoyos fijos
en caso de apoyos móviles
También debe verificarse los estribos para el caso de peso propio sin sobrecarga
más sismo.
No es necesario verificar el caso de frenaje durante un sismo, y si se hace se
acepta una fatiga de suelo aumentada en un 33 % debido a la superposición de
cargas eventuales.
En el caso de pasos inferiores, es decir que el tren pasa por sobre una carretera, se
aceptarán fundaciones directas.
En el caso que las fundaciones estén en el lecho de ríos o pasos de agua, deberán
hacerse los estudios hidráulicos necesarios para determinar la socavación
esperada. Es posible aceptar que los estribos se diseñen con fundación directa
puesto que estas estructuras se pueden proteger fácilmente, siempre que se haya
estudiado bien su ubicación en la ribera del río, pero en las cepas, situadas
generalmente en los lechos de los ríos, las fundaciones deben ser sobre pilotes o
indirectas.
Sobre los pilotes, hay diversas alternativas de elección, ya sea hincados o
preexcavados, de acero en distintos perfiles -tradicionalmente en EFE se hacían de
rieles y, más antiguamente, de madera– de hormigón armado in situ o pretensado.
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PAGINA
5-12
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
Los ensayos de mecánica de suelos entregan parámetros que ayudan a determinar
el tipo, el largo y la sección del pilote y elegir según la resistencia al hincado
vertical, los estratos de suelos que se deban pasar, el comportamiento del suelo
hacia los pilotes vecinos, etc. También deben respetarse las normas de diseño de
un grupo de pilotes: de 1 a 5 diámetros de separación entre ellos; cabezal que los
haga trabajar en conjunto y abarcando un diámetro hacia fuera del último eje de
pilotes; en lo posible, no ubicar pilotes en los ejes de la estructura; no utilizar pilotes
flotantes, es decir, deben llegar hasta un estrato firme; en caso de pilotes de
hormigón, que siempre debe ser armado, diseñarlos con los esfuerzos del pilote
más solicitado; en caso de pilotes de rieles u otro perfil metálico, para ser
considerados como tales deberán hincarse mínimo 8 m y dar un rechazo de 1 cm
en los últimos 20 golpes.
Desde hace más de 30 años las universidades investigan el comportamiento del
suelo ante cargas estáticas y dinámicas (sismos), haciendo modelos con resortes y
amortiguadores, simulando distintas rigideces, tanto para la estructura misma como
para la fundación de zapatas o pilotajes, sin embargo no se han entregado normas
distintas a lo que tradicionalmente se ha hecho en cuanto a pilotajes y sólo se
recomienda un buen estudio de la mecánica de suelos y la observancia estricta de
la norma sísmica chilena en cuanto a las zonas sísmicas establecidas.
Actualmente, hay programas computacionales, como el Zap 2000, cuyos autores
aseguran hacer los mejores diseños, pero no deben aceptarse sin el respectivo
respaldo y análisis de un ingeniero calculista.
5.4
Materiales a Utilizar en los Tramos de Puentes
5.4.1
General
La mayoría de los puentes existentes en la red ferroviaria chilena son metálicos, por
tres razones fundamentales:
1. Por la característica propia del acero de aceptar cargas cíclicas durante mucho
tiempo (mínimo 1,4 millones de ciclos)
2. Por su menor peso propio, y
3. Por la facilidad de instalación sin mayores interrupciones de tráfico.
Sin embargo, estos puentes producen una discontinuidad en las vías férreas, lo que
hoy día es muy mal evaluado para los trenes de pasajeros que buscan priorizar la
comodidad.
Por tal motivo, en los ferrocarriles de alta velocidad, en países europeos y Japón,
con trazados totalmente nuevos, los puentes son todos con tableros de hormigón
armado, de manera de dar continuidad a la vía férrea balastada (con piedra
chancada), y de disminuir las interferencias naturales entre el tráfico y el
mantenimiento.
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PAGINA 5-13
En Chile, como no hay vías separadas para la carga y los pasajeros, se está
imponiendo el concepto de no tener interrupciones de vía balastada en luces
menores a 25 metros, por lo tanto, los puentes de 25 m o menos deben ser con
tablero de hormigón armado y para luces mayores, en lo posible, en tanto el factor
económico no sea preponderante.
En las últimas líneas construidas en EFE, en la década de 1950 y 1960, donde no
se presentaban problemas de tráfico, los puentes fueron diseñados íntegramente
en hormigón, en forma independiente de sus luces.
5.4.2
Acero Estructural
La norma de EFE para el cálculo de puentes metálicos es de 1947, por lo tanto se
refiere a los aceros existentes a esa fecha y hace la siguiente diferenciación:
• Para puentes existentes debe considerarse acero con límite de fluencia de
2.200 kg/cm². Sin embargo, en la mayoría de los ensayes realizados a partes de
elementos de puentes de principios de siglo, se encontró que las fatigas
admisibles igualaban o superaban al acero A 37-24 ES actual.
• Para puentes nuevos, se refiere a los aceros dulce St.37 y de alta calidad St.48 y
St.52 que corresponden a denominaciones de la antigua norma DIN.
También acepta los fierros y aceros fundidos para los apoyos, y la diferenciación
entre ellos era por el porcentaje de carbono: con más de 0,5% de C se considera
acero.
Actualmente, hay muchos tipos de acero dependiendo de su composición química,
su resistencia a la ruptura, su límite de estiramiento y porcentaje de él antes de la
ruptura. Además, en la norma americana AREMA y en la norma de EFE en
preparación, se recomienda conocer la resistencia a los impactos de los aceros.
En la norma chilena NCh 203 Of. 77 se establecen los aceros A 37-24 ES, A 42-27
ES y A 52-34 ES, correspondiendo el primer número a la fatiga de ruptura, el
segundo a la fatiga de fluencia (límite de estiramiento), ambas en kg/mm² y las
letras ES a Estructural Soldable.
Los trenes o cargas móviles provocan en el acero fatigas que varían de modo
alternativo y frecuente entre 0 a un máximo y/o de compresión a tracción, motivo
por el cual, en caso de acero tradicional, se usa el método elástico de cálculo.
Hasta la fecha, no es posible establecer exactamente el número de ciclos
reiterativos (histéresis) que resisten los aceros, por lo tanto, no se conoce
exactamente la vida útil de los puentes y es bastante variable en los distintos
elementos del puente dependiendo de cómo trabajan dichos elementos:
• Para calcular el nº de ciclos de las longuerinas, se multiplica el nº de ejes de un
tren por el nº de trenes y por el tiempo de trabajo.
• Para calcular el nº de ciclos de las vigas principales o cordones de los puentes,
sólo hay que multiplicar el nº de trenes por el tiempo de trabajo.
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5-14
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Lo anterior es válido si nunca se ha hecho trabajar el acero a fatigas superiores a
la fluencia.
Una importante desventaja del acero en la construcción de nuevos puentes, es la
corrosión, inherente al material, la que debe ser permanentemente controlada con
un plan de mantenimiento adecuado, para evitar pérdidas de sección excesivas, y
que requiere tener que realizar el cambio del perfil comprometido cuando ya no es
posible controlar la corrosión con el esquema de pintura.
Actualmente existen pinturas anticorrosivas y esmaltes de recubrimiento de
excelente calidad, así como también existen aceros inoxidables, pero
indudablemente esto encarece los costos de inversión y mantenimiento.
Los primeros puentes de ferrocarriles se protegieron con pintura alquídica que dio
regular resultado, por lo que Ferrocarriles en los años 80 estudió el tema con
diversos proveedores de pinturas, alquídicas, vinílicas y epóxicas, estableciendo
una norma que balancea los costos con la efectividad de la protección, la que está
basada en el Manual del Instituto Chileno del Acero para protección de las
estructuras metálicas y en el Steel Structures Painting Council, de EE.UU.
En lo medular, esta norma indica 4 puntos:
1. Preparación y Limpieza de las superficies, a metal blanco o arenado comercial,
dependiendo si el acero es nuevo o está muy deteriorado por el óxido.
2. Imprimación anticorrosivo vinílico de 2 manos de 1,5 mils c/u, en colores
diferentes para efectos de control.
3. Esmalte de terminación vinílico en 2 manos de 1,5 mils c/u, también en colores
diferentes para mejor inspección.
4. Sellado de intersticios, con masilla compatible con la pintura.
En el diseño de puentes metálicos, se utiliza un peso específico del acero de
7,85 ton/m³ y un coeficiente de dilatación de 1,2*10-5.
5.4.3
Hormigón Armado
Este material está regulado por las normas del Instituto Nacional de Normalización,
INN, para todas las obras estructurales que se construyan en el país, por lo tanto el
cálculo de puentes ferroviarios también debe ceñirse a ellas.
Especialmente, debe consultarse las normas chilenas NCh.170 Hormigón.
Requisitos generales y la NCh.430 Hormigón armado. Requisitos de diseño y
cálculo. Obviamente, deben exceptuarse los puntos o artículos referentes a las
cargas a considerar, los factores a aplicar y las combinaciones de cargas, que por
ser específicas a ferrocarriles serán consultadas en las Normas de EFE o AREMA.
De acuerdo a lo anterior, el ingeniero calculista podrá diseñar con hormigón
armado, hormigón pretensado o postensado, utilizando el método de los estados
límites o el de fatigas admisibles, según norma provisoria de EFE “Diseño de
Puentes”.
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PAGINA 5-15
También puede utilizarse soluciones mixtas para disminuir los pesos propios o
carga muerta. Especialmente recomendables son las vigas principales de acero o
de hormigón pre o postensado y el tablero de losa de hormigón armado.
Hay que hacer notar que, en el país existen normalmente los aceros para hormigón
A 44-28 H y A 63-42 H, y que los aceros para hormigones postensados o refuerzos
especiales, con resistencia a la fluencia mayor a 42 kg/mm² deben ser traídos del
extranjero o solicitarlos especialmente a la industria nacional. Ver norma NCH-430,
basada en los Códigos ACI.
Se debe tener presente que todos los puentes nuevos, menores de 25 metros de
luz libre, deben diseñarse con tablero de hormigón armado, y programar su
construcción en variante o vía provisoria, para mantener el tráfico ferroviario.
En el caso de vigas metálicas con losa colaborante, debe consultarse las normas
AASHTO, especialmente el punto concerniente al esfuerzo de corte y los
conectores (Capítulo 10.38 Composite Girders), puesto que este elemento, que
debe transmitir esfuerzos de corte vertical y horizontal bastante mayores que en
los puentes carreteros, no aparece en las normas específicas para puentes
ferroviarios, AREMA.
En el diseño de puentes de hormigón se utiliza un peso específico del hormigón sin
armar de 2,4 ton/m³, y de hormigón armado de 2,5 ton/m3 .
5.4.4
Otros Materiales
Evidentemente existen otros materiales, como el aluminio o el titanio, que pueden
servir para diseñar y construir puentes ferroviarios, pero aún no están
normalizados, y como no son de uso corriente, su costo es altísimo.
Cualquier material, distinto del acero y del hormigón, que quiera ser utilizado por
los ingenieros proyectistas para diseñar puentes ferroviarios, o elementos de ellos,
deberá ser presentado con todas las licencias y normas para su uso; además,
deberán avalarse con experiencias previas comprobables y por expertos
reconocidos en el país.
Como un ejemplo de uso de material no probado lo suficientemente a la fecha,
como para conocer su comportamiento en puentes ferroviarios para velocidades
mayores a 140 km/h, es el sistema de muros de tierra retenida en estribos o suelos
armados en los terraplenes de acceso a los puentes.
5.5
Viaductos o Pasos Inferiores
Estas estructuras son puentes ferroviarios que pasan por sobre caminos o
carreteras.
Se diseñan como cualquier puente exceptuando la parte arquitectónica, la cual
debe seguir la pauta que generalmente establecen los requisitos de urbanismo y
los requisitos viales indicados en el Manual de Carreteras para las vías
interurbanas y el REDEVU para las urbanas.
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En estos puentes se recomiendan las vigas invertidas, para alejarlas de posibles
choques laterales por causa de la falta de gálibo para algunos vehículos de calle.
Por igual motivo, para prevenir choques laterales al puente ferroviario, se deben
instalar señales o galibómetros a la entrada del viaducto,
Si hay cepas expuestas al tráfico carretero, deberán verificarse para una fuerza de
choque de 100 ton en la dirección del tráfico, y de 50 ton, en sentido perpendicular
al tráfico, aplicada a 1,2 m sobre el pavimento.
5.6
Alcantarillas
Las alcantarillas son las obras ferroviarias de luces iguales o menores a 4 m.
En la red ferroviaria hay muchos tipos diferentes de estas obras. Algunas de ellas
se hicieron provisoriamente, pero llevan años sin reconstruirse, como son por
ejemplo, los emparrillados de rieles, o paquetes de rieles, o vigas sobre apoyos de
madera o simplemente sobre el terreno. Todas estas obras deberían ser
remplazadas a la brevedad.
También se debería ir eliminando todas las obras menores de menos de 1m de
diámetro, ya que es muy difícil mantener la limpieza necesaria de la sección.
Asimismo, hay que considerar para estas obras una vida útil de máximo 50 años, y
reconsiderar el caudal de aguas que pasa por ellas y la necesidad de mantener,
agrandar o eliminar la alcantarilla.
El uso de sifones se aceptará en casos muy especiales, pues la mayoría de ellos
no funciona bien, pues necesitan de mantenimiento permanente para el libre
escurrimiento de las aguas.
En el punto 5.12 de esta sección se entregan planos tipos de las obras de
alcantarillas recomendadas, como son los marcos cerrados de hormigón armado
de 1m*1m; de 1,5m * 1,5 m; de 2m * 2m y de 3m *4m, que son las secciones más
recurrentes. También se incluye un plano tipo de alas en V, adaptable a cualquier
marco o tubo de hormigón armado o tubo de acero.
Junto con el diseño de estas obras menores, el ingeniero proyectista debe
considerar el método constructivo que permita la menor interrupción de tráfico
posible, por lo cual se recomienda la prefabricación de los marcos de hormigón
armado en módulos que respondan a lo siguiente:
• Peso máximo de acuerdo a la capacidad de las grúas que se disponga, y
• Junta de unión en terreno fuera del campo de distribución de fatigas bajo los
durmientes.
5.7
Ductos Subterráneos
Estos ductos son de menor diámetro que una alcantarilla y son en su gran mayoría
solicitados por terceros para atravesar bajo la vía férrea con cañerías a presión y
cables para energía y comunicaciones.
Para estos ductos, EFE exige las siguientes condiciones:
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RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
•
•
•
•
•
•
•
5.8
Las cañerías a presión deben llevar camisa de refuerzo, ya sea de acero
estructural, aceros corrugados u hormigón armado, de un diámetro igual al
doble del diámetro de la cañería de trabajo.
La camisa de refuerzo debe estar a mínimo un metro bajo la cara inferior de los
durmientes de la vía.
En caso de tratarse de cables de comunicación, se acepta la camisa de PVC o
similar, a 1,4 m bajo la cara del durmiente, ya que hay estudios que
demostraron que a una distancia menor, el PVC empieza a tener
deformaciones por la carga del tren.
Los ductos deben tener a ambos lados de la faja vía, cámaras de inspección y
con válvulas de corte en el caso de agua a presión. Estas cámaras se deben
ubicar en lo posible, a no más ni a menos de 6 m del eje de la vía más al
exterior.
Los gaseoductos deberán ser diseñados con las Normas AREMA, ANSI/ASME
B31.8, pero en ningún caso, el espesor de la cañería de refuerzo o de la de
trabajo si no hay refuerzo, será menor a 9 mm.
Las cañerías de baja presión que no lleven camisa de refuerzo, no deberán
llevar soldaduras de terreno bajo la faja vía, y deberán protegerse con plástico
de color a 50 cm de profundidad bajo la cara inferior del durmiente y tener
señalización a ambos lados de la faja vía.
EFE exige memoria de cálculo para todos los gasoductos y, en los demás
ductos, en el caso que tengan características diferentes a lo establecido en el
todavía vigente “Reglamento de Ductos para atravesar con sólidos, líquidos o
gases las líneas de los Ferrocarriles del Estado”.
Gálibo de Túneles
Lo más importante a tener en cuenta acerca de los túneles, es el gálibo ferroviario.
Este gálibo lo determina la empresa ferroviaria que usará esta obra, ya que
depende del gálibo del equipo a utilizar y del sistema de tracción, aunque siempre
será conveniente dejar el espacio necesario y suficiente para la catenaria de
tracción eléctrica.
No sólo debe considerarse el gálibo necesario y suficiente para que pasen los
trenes existentes en la red ferroviaria, sino que además, hay que considerar el
espacio para permitir el eventual tránsito de personas, ya sea por emergencias o
por faenas de mantenimiento.
También hay que considerar para la proposición del gálibo, el efecto de émbolo
que se produce con el aire debido a la velocidad del móvil, especialmente en caso
de túnel para 2 vías.
En caso de ser necesario construir túneles paralelos, la separación mínima entre
sus muros deberá justificarse con los estudios geológicos correspondientes.
El gálibo utilizado por EFE se incluye en los anexos de esta sección.
5.9
Pasos Superiores
Para ferrocarriles, los pasos superiores son las obras estructurales que pasan por
sobre las vías férreas, y pueden ser puentes carreteros, pasarelas peatonales o
ductos aéreos.
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RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
Estas obras son construidas por terceros que deben ser autorizados por EFE a
atravesar la faja de vías férreas.
En cuanto al diseño, actualmente EFE exige el gálibo vertical ferroviario y que los
estribos se construyan fuera de la propiedad de la empresa, independientemente
del largo del atravieso. En casos excepcionales, se podrá solicitar a EFE la compra
de terrenos a ambos lados de su faja vía, como asimismo, si fuera necesario, la
autorización para construir algún apoyo intermedio en terrenos de entrevías. Estos
apoyos intermedios deben ser materia de una consideración muy cuidadosa y el
ideal es que no se autoricen, por razones de seguridad.
Para todas estas obras, el proyectista deberá considerar que no se pueden realizar
excavaciones de ningún tipo a menos de 3 m del eje de la vía más próxima. En
caso de ser necesarias excavaciones a una menor distancia o de una profundidad
mayor a 1,5 m bajo la cara inferior del durmiente, deberá presentarse el
correspondiente proyecto de entibaciones para trabajar con tráfico.
También se debe tomar en cuenta que por debajo de estas obras, pasará la
catenaria energizada de Ferrocarriles, por lo que se debe tomar precauciones
durante la construcción y, en caso de pasarelas peatonales, diseñar protecciones
permanentes para evitar accidentes.
En el caso de ductos aéreos de líneas energizadas, gaseoductos u oleoductos,
EFE exige el cumplimiento de las normas de la Superintendencia de Electricidad y
Combustibles.
5.10
Cierros de la Vía
5.10.1
General
Inicialmente, cuando se empezó a construir la red ferroviaria, la faja de las vías
férreas era delimitada por muros de ladrillo en las zonas urbanas, y por cercos de
alambres en las zonas rurales.
Pese a que la ley establece que son los propietarios colindantes los responsables
del mantenimiento de estos cercos, con el tiempo se fueron deteriorando, ya sea
por el desgaste natural o por destrucción deliberada por terceros.
En la actualidad, en la mayoría de los sectores es imprescindible cerrar la faja vía
para que los trenes puedan circular en forma segura, a la velocidad y con la
frecuencia que se propone en los nuevos proyectos ferroviarios.
Por lo tanto, se considera conveniente normalizar el tipo de cierros para diversas
circunstancias de uso.
En el último tiempo se ha estudiado diversos proyectos ferroviarios, los que han
propuesto una serie de cierros de diverso tipo, los que pueden agruparse como
sigue.
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RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
5.10.2
Cierros para Zonas Urbanas muy Pobladas y Entornos de Estaciones
En estos sectores se recomienda instalar dos tipos básicos, según la aplicación:
• Cierros de muros llenos: albañilería de ladrillos u hormigón armado. Los cierros
pesados de hormigón prefabricado han dado buenos resultados. No así los
cierros de placas de hormigón (tipo bulldog), que están fácilmente expuestos a
actos de vandalismo y son objeto de robos.
• Cierros de reja tipo Metro: en estaciones y sectores urbanos donde predominan
los conceptos de estética y paisajismo.
5.10.3
Cierros para Zonas Urbanas Medianamente Pobladas
En estos sectores se recomienda instalar dos tipos básicos, según la aplicación:
• Cierros de malla metálica reforzada. Los cierros de mallas prefabricados tipo
Acmafor han dado buenos resultados.
• Cierros de reja tipo Metro: en estaciones y sectores urbanos donde predominan
los conceptos de estética y paisajismo.
5.10.4
Cierros para Zonas Rurales
En estos sectores se recomienda instalar cierros transparentes, preferentemente
de alambre de púas. En los sectores cercanos a centros poblados o donde se
requiera un cerco de mayor estándar, se recomienda utilizar postes prefabricados
de hormigón con codo tipo A45 y 8 corridas de alambre de púas, como se muestra
en el diseño en anexos.
En otras zonas se puede instalar los cercos de 5 hilos de alambres de púas según
el modelo estándar del Manual de Carreteras del MOP.
5.11
Obras de Arte Complementarias
Se entiende por obras complementarias, las que, como su nombre lo indica, sirven
para complementar un diseño de obra ferroviaria, ya sean obras provisionales para
mantener el tráfico de los trenes, u obras definitivas, como las utilizadas para la
defensa de los puentes y de terraplenes.
5.11.1
Obras Provisionales
Una obra muy utilizada en Ferrocarriles, tanto para construir puentes o ductos
subterráneos, como para reanudar el tráfico luego de un accidente en la vía férrea,
es la colocación de tramos metálicos existentes en EFE, de diversas luces, para
formar puentes provisorios que permiten construir, reconstruir o reparar obras de
hormigón armado o terraplenes bajo la luz libre que dejan.
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5-20
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
Estos tramos se colocan con “cortadas de tráfico”, cuya duración dependerá de la
densidad de tráfico del sector, pero que en general no son de más de 4 horas, en
las cuales deben hacerse los diferentes trabajos necesarios: desarmar la vía férrea,
construir apoyos con castillos de 2 corridas de durmientes, colocar el o los tramos
provisorios previamente preparados con los durmientes de trabajo y rearmar la vía.
Las “cortadas de tráfico”, una vez autorizadas por EFE, las solicita un inspector de
vía a un inspector de tráfico y pueden o no, dependiendo de los elementos a utilizar
en las maniobras, necesitar cortadas de energía por la catenaria en el caso de vías
electrificadas.
Cuando el tramo o la luz libre necesaria es pequeña, se utilizan paquetes de rieles
como vigas provisorias, en la misma forma descrita en el punto anterior.
Otras obras provisorias son las entibaciones, necesarias cuando la luz libre de los
tramos provisorios no permiten dejar el talud natural en las excavaciones. Para
ellas se deben presentar los cálculos y croquis correspondientes para la
aprobación de EFE.
5.11.2
Obras Definitivas
La defensa fluvial de los puentes, es una obra definitiva que permanentemente hay
que inspeccionar y controlar, puesto que las condiciones que sirven para el diseño,
pueden cambiar con el transcurso de los años.
En primer lugar, es necesario realizar el estudio hidráulico del río que pasa bajo el
puente, con el perfil longitudinal del eje hidráulico y perfiles transversales, que
comiencen, en lo posible, desde otro puente aguas arriba, hasta 100 m aguas
abajo del puente ferroviario. Con este estudio deberá decidirse por la defensa más
apropiada para las cepas y los estribos.
Lo recomendable para puentes existentes es la protección con piedra de defensa
de regular tamaño, es decir entre 800 y 1500 kilos, y su colocación una a una. En
el caso de protección de taludes, debe comenzarse la colocación de piedras,
aproximadamente 1m bajo la socavación esperada formando un pie de talud y
subiendo con una inclinación de 1 V : 1,5 H.
También son aconsejables en las luces más expuestas a socavación, hacer
radieres o zampeado con piedra de defensa menor, entre 300 y 800 kilos, y
hormigón H5 con un diente de 50 cm de profundidad mínima y 30 cm de ancho al
comienzo del radier. Este diente se puede ver en lámina tipo de alas en V.
En el caso de ser necesario proteger los terraplenes de la vía férrea, lo más
aconsejable son los muros de hormigón armado. Estos deben calcularse para el
empuje de tierra natural, el empuje debido a la sobrecarga móvil y el sismo
correspondiente.
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RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
5.12
Evaluación de Obras Existentes
5.12.1
General
PAGINA 5-21
Las obras de arte existentes deben evaluarse según cómo y cuándo fueron
diseñadas.
Las obras de hormigón armado de principios del siglo XX (≈ 1920) pueden tener
defectos de construcción inherentes a esa época, sin embargo han durado
bastante más de 50 años. Por lo tanto, la decisión a tomar es si se conserva como
monumento o se demuele, pero no se puede pretender que la obra siga prestando
servicios sin restricciones para las condiciones de velocidad y confort que hoy en
día se les exige a las obras ferroviarias.
Los puentes de hormigón armado pueden ser reparados restableciendo el
recubrimiento de sus enfierraduras, pero en ningún caso aumentar su capacidad
por encima del equivalente al tren tipo C.
Lo mismo puede decirse de los puentes de acero de 1900 a 1920. Éstos, por muy
bien conservados que estén, y aunque sean reforzados, deben ser mantenidos con
las restricciones necesarias para no producir su fatigamiento definitivo. Se
considera imprescindible para la red ferroviaria de la Red Sur ir renovando todos
los puentes, empezando por los más antiguos.
En años recientes expertos japoneses y franceses han hecho estudios de los
puentes de la Red Sur de EFE. Es conveniente indicar aquí la recomendación de
estos expertos, por considerarse completamente pertinente.
Ambos estudios señalaron la necesidad de mantenimiento de los puentes de acero
fijando sus fatigas de trabajo por debajo de los 1400 kg/cm², y rigidizando los
puentes de vía inferior con un colgador entre longuerinas y arriostramientos
horizontales, para permitir la velocidad máxima posible de 140 km/h.
5.12.2
Recomendaciones para Reforzar Puentes de Acero
1. Verificar si se han hecho refuerzos anteriores y si existen elementos con acero
original.
2. En lo posible, establecer los ciclos que han soportado los aceros antiguos.
3. Debe establecerse el porcentaje de corrosión existente, y limpiar y colocar
anticorrosivos antes de poner los elementos nuevos.
4. El espesor mínimo de los nuevos perfiles y planchas debe ser 10 mm.
5. Cuando existan dudas sobre el estado de dichos aceros, debe preferirse la
renovación completa del elemento -longuerinas, travesaños, diagonales-.
6. Deben revisarse las uniones y utilizar el mismo tipo de conectores en cada
nudo, es decir, no mezclar remaches en caliente con remaches en frío.
7. En los elementos reemplazados o reforzados, debe removerse la totalidad de
los remaches. Su reemplazo puede hacerse por pernos tipo Huck (Huckbolt).
8. En los puentes de vía superior debe revisarse la estabilidad lateral de los
tramos, tomando en cuenta que la mayoría son simplemente apoyados.
MIDEPLAN - SECTRA
PAGINA
5-22
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
9. Los aceros de los años 1900 a 1940 aproximadamente, no garantizaban la
soldabilidad, por lo tanto no es conveniente usar soldaduras en ellos.
10. Por último, los refuerzos no deberán realizarse para un tren de cálculo superior
al tren tipo C, puesto que éste ya implica un 50 % de aumento sobre el primer
tren tipo.
En cuanto a la infraestructura de los puentes, prácticamente, el mejor método para
estimar el estado de los estribos y cepas de un puente es la inspección visual y el
diagnóstico subjetivo:
11. Determinar si existen fisuras. Si así fuera, pueden marcarse con testigos que
permitan visualizar cualquier cambio en ellas para detectar una situación de
riesgo, siendo lo más recomendable en caso de fisuras que aumentan,
tomando en cuenta los años de vida útil que tienen las cepas o los estribos, la
reconstrucción de la estructura.
12. Instalarse en estribos y cepas para sentir las vibraciones que se producen al
paso de los trenes, las que no debieran ser mayores a las producidas por
sismos leves (grados 2 a 3 de la escala de Mercalli).
Además, es muy conveniente determinar periódicamente las posibles
socavaciones, especialmente en la zona central de Chile, debido al irregular caudal
y escurrimiento de las aguas de estos ríos, a fin de proteger anticipadamente las
cepas y estribos en forma directa.
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RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
5.13
Normas Pertinentes
5.13.1
Normas Obligatorias
PAGINA 5-23
1. Todas las normas que la Empresa de Ferrocarriles tenga en vigencia a la fecha
de consultar estas Recomendaciones de Diseño.
2. Todas las normas chilenas INN-NCh, relacionadas con el diseño, cálculo,
especificaciones de materiales y construcción de obras.
5.13.2
Normas Recomendables
1. Manual for Railway Engineering, publicado por la “American Railway
Engineering Association”, AREMA.
2. Normas relacionadas con puentes publicadas por la “American Association of
State Highway and Transportation Officials”, AASHTO.
3. Manual de Normas del Código Internacional UIC.
4. Manual del Instituto Chileno del Acero.
5. Códigos para protección de estructuras metálicas, Steel Structures Painting
Council SSPC.
6. Normas para perfiles soldados y soldaduras de unión de la “American Welding
Society”, AWS.
7. Normas para la especificación de materiales de la “American Society for
Testing Materials”, ASTM.
5.14
Gráficos y Esquemas en Anexo
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Tabla 1-17 de Norma AREMA: Esfuerzos producidos por tren tipo Cooper E-80.
Marco tipo de H. A. de 1m x 1m.
Marco tipo de H. A. de 1,0m x 1,5m.
Marco tipo de H. A. de 2m x 2m.
Marco tipo de H. A. de 2,5m x 4,5m.
Gálibo mínimo para Túneles subterráneos, trocha 1,676 m.
Solución tipo para reemplazo de tramos metálicos.
MIDEPLAN - SECTRA
PAGINA
5-24
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
Tabla 1-17 del Manual AREMA
Esfuerzos Producidos por Tren Cooper E-80
Luz
[ft]
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
16
18
20
24
28
32
36
40
45
50
55
60
70
80
90
100
120
140
160
180
200
250
300
350
400
MIDEPLAN - SECTRA
Momento Max
Esfuerzo de corte máximo
Total
a 1/4
Extremo
a 1/4
Centro
[ft-kips]
[ft-kips]
[kips]
[kips]
[kips]
50,00
37,50
40,00
30,00
20,00
60,00
45,00
46,67
30,00
20,00
70,00
55,00
51,43
31,43
20,00
80,00
70,00
55,00
35,00
20,00
93,89
85,00
57,58
37,78
20,00
112,50
100,00
60,00
40,00
20,00
131,36
115,00
65,45
41,82
21,82
160,00
130,00
70,00
43,33
23,33
190,00
145,00
73,84
44,61
24,61
220,00
165,00
77,14
47,14
25,71
280,00
210,00
85,00
52,50
27,50
340,00
255,00
93,33
56,67
28,89
412,50
300,00
100,00
60,00
28,70
570,42
420,00
110,83
70,00
31,75
730,98
555,00
120,86
77,14
34,29
910,85
692,50
131,44
83,12
37,50
1.097,30
851,50
141,12
88,90
41,10
1.311,30 1.010,50
150,80
93,55
44,00
1.601,20 1.233,60
163,38
100,27
45,90
1.901,80 1.473,00
174,40
106,94
49,73
2.233,10 1.732,30
185,31
113,58
52,74
2.597,80 2.010,00
196,00
120,21
55,69
3.415,00 2.608,20
221,04
131,89
61,45
4.318,90 3.298,00
248,40
143,41
67,41
5.339,10 4.158,00
274,46
157,47
73,48
6.446,30 5.060,50
300,00
173,12
78,72
9.225,40 7.098,00
347,35
202,19
88,92
12.406,00 9.400,00
392,59
230,23
101,64
15.908,00 11.932,00
436,51
265,51
115,20
19.672,00 14.820,00
479,57
281,96
128,12
23.712,00 17.990,00
522,01
306,81
140,80
35.118,00 27.154,00
626,41
367,30
170,05
48.800,00 38.246,00
729,34
426,37
197,93
65.050,00 51.114,00
831,43
484,64
225,51
83.800,00 65.588,00
933,00
542,40
252,44
Reacción
Max. Apoyo
[kips]
40,00
53,33
62,86
70,00
75,76
80,00
87,28
93,33
98,46
104,29
113,74
121,33
131,10
147,92
164,58
181,94
199,06
215,90
237,25
257,52
280,67
306,42
354,08
397,70
437,15
474,24
544,14
614,91
687,50
762,22
838,00
1.030,40
1.225,30
1.421,70
1.619,00
PAGINA 5-25
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
5.15
Bibliografía
1. Normas Técnicas para el Cálculo de Puentes Ferroviarios
EFE, 1947
2. EFE-NSF-13-001
Normas de Seguridad para Obras de Arte
3. EFE-NTF-13-001
Normas Técnicas para el Diseño de Puentes
Ferroviarios
4. Manual for Railway Engineering, Chapter 8, 15
AREMA, USA, 2002
5. Standard Specification for Highway Bridges
AASHTO, USA, 1998
MIDEPLAN - SECTRA
RECOMENDACIONES DE DISEÑO PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA
PAGINA 5-27
A N E X O S
Anexo 5-1 Alcantarilla tipo 1.00x1.00
Anexo 5-2 Alcantarilla tipo 1.00x1.50
Anexo 5-3 Solución tipo reemplazo tramos metálicos
Anexo 5-4 Alcantarilla 2.00x2.00 AI
Anexo 5-5 Alcantarilla 4.50x2.55 AI
Anexo 5-6 Gálibo Túnel
MIDEPLAN - SECTRA