Juntas y barras largas soldadas en vía férrea: dilatación, pandeo y bridas

Juntas de carril, bridas y barra larga soldada

Juntas: La unión entre dos carriles se realiza mediante piezas metálicas llamadas bridas. La distancia entre carriles se denomina cala. Tienen como misión facilitar la dilatación de los carriles, a efectos de las variaciones de temperatura. La discontinuidad en las juntas es un inconveniente, por lo que procuramos que nuestros carriles sean solidarios, presenten resistencia a las deformaciones y estén impedidos los movimientos verticales o laterales de los extremos de los carriles, permitiendo, en cambio, el movimiento longitudinal. Esto se consigue gracias a las bridas.

Tipos

Respecto a la posición relativa del carril con respecto al otro, pueden ser concordantes o alternadas. En cuanto a la posición relativa con respecto a las travesas, pueden ser: apoyadas, suspendidas o semisuspendidas.

Juntas aislantes encoladas

Cuando se quiere tener aislamiento eléctrico, en la sección transversal del carril, en los circuitos de vía utilizados en señalización, se utilizan juntas aislantes especiales. Estas tienen: forros aislantes que se colocan entre las bridas y el carril, una sección transversal del carril de material aislante que se coloca entre los dos carriles consecutivos, y cilindros aislantes que se colocan alrededor de los bulones para que no se establezca contacto con el agujero practicado en el alma del carril.

Juntas aislantes encoladas o J.A.E.: Las bridas se encolan al carril por medio de resinas sintéticas (tipo epoxi), teniendo intercalado entre el carril y las bridas un paquete de materiales aislantes de espesor total de 1,5 mm. Los tornillos son de alta resistencia y aprietan fuertemente las bridas contra el carril. Los esfuerzos de tracción y compresión, que aparecen en la barra larga soldada (pueden alcanzar cientos de toneladas), se transmiten del carril a las bridas y de estas al otro carril por rozamiento y por la muy importante acción del pegamento, evitando que actúen sobre el débil material aislante que constituye el perfil intercalado entre los dos carriles, y sin que se produzca variación alguna en la abertura de la cala de la junta. La longitud total del cupón completo, en cuyo centro está la junta, es de 3,6 a 9 m según fabricante, y se incorpora a los carriles mediante la óptima soldadura de sus extremos.

Brida o eclisa

La brida o eclisa es una pieza metálica cuya función es servir de elemento de unión entre los extremos consecutivos de dos carriles, de manera que sus ejes longitudinales coincidan y queden inmovilizados su posición tanto en el plano horizontal como en el vertical. Cuando el eje llega próximo a la junta, el extremo del carril tiende a flexionarse como una viga en voladizo, impidiendo la brida dicha flexión soportando esfuerzos importantes. La brida recibe una carga hacia la mitad de su longitud, que transmite a los patines de los dos carriles a través de los extremos de la brida. Es pues necesario que la brida esté bien ajustada entre la cabeza y el patín del carril.

Bajo la acción de las flexiones y de los choques que se presentan en las juntas, se producen movimientos relativos entre el carril y la brida. Ello origina un desgaste sobre todo en las zonas de transmisión de esfuerzos, provocando un desplazamiento axial, con alma del carril, bajo la acción de los bulones que habrá que reapretar regularmente.

Las condiciones que deben cumplir la brida son:

• Absorber esfuerzos dirigidos tanto de abajo arriba como en sentido contrario.
• Presentar una buena superficie de apoyo sobre el patín del carril y sobre el plano inferior de la cabeza.
• Ofrecer un juego suficiente entre la brida y el alma del carril para permitir el apretado rápido de los bulones y ajuste de brida hasta límite de desgaste permitido.
• Mayor resistencia a igualdad de cantidad de metal empleado.

Barra larga soldada

Debido a los inconvenientes que se producían por la existencia de juntas y que las bridas no conseguían subsanar, la solución que se tomó fue eliminarlas soldando los carriles entre sí, obteniéndose la llamada barra larga soldada. Con esta situación se prosigue dando continuidad a la vía y así podrá dar solución a los inconvenientes de las discontinuidades.

Por qué no existe la dilatación libre

En un principio se admitió que tenía libre dilatación, pero para que no superara la cala estimada de 20 mm, el carril tenía que tener una longitud menor de 18 m, lo que era poca longitud y suponía un importante número de juntas por kilómetro.

Dilatación restringida en la barra soldada

La dilatación del carril libre se ve impedida, debido al rozamiento del balasto y a que las travesas, unidas al carril, forman un conjunto solidario. Esta fuerza de rozamiento puede valer del orden de 500–1200 kg/m, con 60 cm de separación entre ejes de travesas de 600 kg/m, valor alto al ser travesa sobre balasto de gran superficie lateral y de apoyo.

Cálculo y estudio del desplazamiento del carril en el caso de dilatación restringida y barra larga soldada

El carril a temperatura inicial se bloquea por sus extremos en la barra larga soldada. Al incrementar la T no habrá dilatación, pero aparecerá en el carril una tensión que es independiente de la longitud del carril:

σ = E × ε = E × ΔT × α

Esfuerzo con el que el extremo del carril intentaría desplazarse, o valor con el que hemos bloqueado sus extremos para conseguir dilatación nula, con esta variación de T, lo cual es evidentemente importante. Aunque los extremos del carril no estén bloqueados, la dilatación está restringida por los rozamientos del balasto y la travesa. En la parte central de la barra se da una dilatación nula, con este valor de esfuerzo (σ = E·ΔT·α), mientras que en las zonas extremas el rozamiento no es suficiente para eliminar totalmente las dilataciones. Esta dilatación restringida en los extremos supone una disminución en estas zonas de la tensión que soporta el carril. La tensión será nula en los extremos libres y máxima en las zonas centrales.

Vamos a tratar de calcular el desplazamiento del punto P. Para ello tendremos que calcular δL estudiando un elemento dx situado a una distancia x de D. En situación “T + ΔT” y dilatación restringida, debería medirse:

(dx)_T+ΔT = (dx)_T + dl

siendo la tensión: σ = E·ΔT·α·(1 − x/DB); la tensión liberada vale: σ_liberada = E·ΔT·α·(1 − x/DB) = E·ΔT·α·(x/DB). Dicha tensión liberada se ha empleado en alargar el carril, aplicando Hooke como hipótesis simplificadora:

σ_liberada = E·ε = E·(dl/dx) ⟹ dl = ΔT·α·(x/DB)·dx

Cada dx ha experimentado un incremento dl, que integrando:

L = [(ΔT·α)/DB]·[x²/2]

En dilatación libre sería x = ΔT·α; l = [(ΔT·α)/DB]·[x²/2] << x = ΔT·α. Se producen valores pequeños, del orden de 10 a 60 mm, que son los que hay que absorber con aparatos de dilatación (hasta 180 mm).

Pandeo

Han sido las causas esenciales por las que la barra larga soldada no ha aparecido hasta épocas recientes:

1. Dificultad de la puesta a punto de la técnica de la soldadura in situ del acero de los carriles.
2. Dificultad de unión carril-travesa permanentes.
3. Temor a que se produjese pandeo debido a los fuertes esfuerzos térmicos que tienen lugar.

El objetivo general a estudiar es la temperatura que da lugar a la inestabilidad elástica o el valor de la fuerza axial que provoca el pandeo. Este problema de inestabilidad elástica de la vía es de importancia, puesto que afecta de forma grave y directa a la seguridad de las circulaciones. De los trabajos experimentales y teóricos sobre el pandeo se han extraído tres puntos que han sido puestos en evidencia:

La existencia de efectos previos es necesaria para que se produzca el pandeo: Un carril rigurosamente rectilíneo no puede pandear mientras que su compresión no rebase el límite elástico del metal que lo constituye, pero una pequeña deformación puede dar lugar a pandeo si la compresión es suficiente. Las curvas agravan esta posibilidad.

El campo de estabilidad en el plano vertical y en el horizontal no son independientes: La modificación de la reacción del apoyo vertical de la travesa sobre el balasto supone una variación de la resistencia de la vía a los esfuerzos transversales.

Es muy difícil que se produzca pandeo en el plano vertical... Las deformaciones laterales pueden estar constituidas por varias ondas de 12 a 14 m de longitud, con flechas de hasta 80 cm dependiendo de la naturaleza de la vía y los sustentos.

Prácticas preventivas

• En la práctica, para evitar que la vía esté sometida a tensiones importantes, se monta a una temperatura de 25 °C, recurriendo al calentamiento de los carriles por grupos de quemadores de propano.
• No se pone en radios menores de 300 m y hasta 400 m se exige refuerzo de la banqueta en el lado exterior de la curva, recargándola en 10 cm.
• La distancia máxima entre travesas es de 60 cm, y otras precauciones semejantes.