Geometría de la vía

El trazado horizontal es la disposición de la vía en el plano horizontal. Esto puede considerarse como la vista en planta , que es una vista de una vía tridimensional desde la posición superior a la misma. En geometría de vías, el trazado horizontal comprende la disposición de tres tipos principales de vía: vía recta (tangente), vía curva y curva de transición (también llamada espiral de transición o espiral ), que conecta una vía recta con una curva. La vía curva también se puede clasificar en tres tipos. El primer tipo es la curva simple, que tiene el mismo radio a lo largo de toda la vía curva. El segundo tipo es la curva compuesta, que comprende dos o más curvas simples de radios diferentes con la misma dirección de curvatura. El tercer tipo es la curva inversa , que comprende dos o más curvas simples con dirección de curvatura opuesta (a veces conocida como curva en "S" o curva serpentina). ^{[ 4 ] [ 5 ]}

En Australia, existe una definición especial para una curva (o una curva horizontal ) que es una conexión entre dos vías rectas con un ángulo de casi 180 grados (con una desviación no mayor a 1 grado y 50 minutos ) sin una curva intermedia. Existen límites de velocidad para las curvas, distintos de los de las vías rectas normales. ^{[ 6 ]}

El trazado vertical se refiere a la disposición de la vía en el plano vertical. Esto puede considerarse como la vista en alzado , que es la vista lateral de la vía para mostrar su elevación. En geometría de vías, el trazado vertical incluye conceptos como el peralte, la inclinación y la pendiente.

El carril de referencia es el carril base que se utiliza como punto de referencia para la medición. Puede variar en diferentes países. La mayoría de los países utilizan uno de los carriles como carril de referencia. Por ejemplo, en Norteamérica se utiliza como carril de referencia el carril de línea , que es el carril este de la vía recta que va de norte a sur, el carril norte de la vía recta que va de este a oeste, el carril exterior (el carril más alejado del centro) en las curvas, o los carriles exteriores en zonas de vías múltiples. ^{[ 7 ]} En el ferrocarril suizo, el carril de referencia para la vía recta es la línea central entre dos carriles, pero es el carril exterior para la vía curva. ^{[ 8 ]}

La diferencia de altura entre la superficie superior de los dos rieles en cualquier punto de la vía férrea se mide en dos puntos (uno en la cabeza de cada riel) formando un ángulo recto con el riel de referencia . Dado que el riel puede moverse ligeramente hacia arriba y hacia abajo, la medición debe realizarse bajo carga.

Se dice que la cota transversal es cero cuando no hay diferencia de elevación entre ambos rieles. Se dice que la cota transversal es inversa cuando el riel exterior de una vía curva tiene una elevación menor que el riel interior. En caso contrario, la cota transversal se expresa en unidades de altura.

Los límites de velocidad están determinados por la cota transversal de la vía. En vías rectas, se busca una cota transversal de cero. Sin embargo, pueden producirse desviaciones. Numerosas normativas especifican los límites de velocidad de ciertos segmentos de la vía en función de la cota transversal. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

En el caso de vías curvas, la mayoría de los países utilizan el término peralte o sobreelevación para expresar la diferencia de elevación y las normativas relacionadas.

La deformación es la diferencia de nivel transversal entre dos puntos cualesquiera dentro de una distancia específica a lo largo de la vía. El parámetro de deformación en la geometría de la vía se utiliza para especificar la diferencia máxima de nivel transversal de la vía en cualquier segmento (tangentes, curvas y espirales).

Sin el parámetro de deformación máxima, la regulación del nivel transversal por sí sola puede no ser suficiente. Consideremos vías con un nivel transversal positivo seguido de uno negativo y luego una secuencia de niveles transversales positivos y negativos alternados. Aunque todos esos niveles transversales se encuentran dentro de los parámetros permisibles, al operar un tren en dicha vía, el movimiento será de balanceo de izquierda a derecha. Por lo tanto, el parámetro de deformación máxima se utiliza para evitar la condición crítica de balanceo armónico que puede provocar que los trenes se balanceen hacia adelante y hacia atrás y descarrilen tras la elevación de las ruedas. ^{[ 10 ]}

En Norteamérica, la distancia específica utilizada para medir que la diferencia de nivel transversal de la vía se encuentre dentro del parámetro de alabeo permitido es de 62 pies. El alabeo de diseño es cero tanto para vías rectas como curvas. Esto significa que, idealmente, el nivel transversal no debería variar entre dos puntos cualesquiera dentro de un radio de 62 pies. Existen algunas desviaciones que permiten que los niveles transversales a lo largo de la vía varíen (como por ejemplo, en caso de peralte en curvas). Los distintos niveles de estas desviaciones del alabeo cero determinan los límites de velocidad. ^{[ 9 ]}

La especificación que se centra en la tasa de cambio en los niveles transversales de la vía curva está contenida dentro del área relacionada con la pendiente de peralte .

El término pendiente de vía se refiere a la elevación relativa de los dos rieles a lo largo de la vía. Esto se puede expresar como la distancia horizontal recorrida por cada unidad de elevación, o en términos de un ángulo de inclinación o una diferencia porcentual de elevación para una distancia determinada de la vía.

Las pendientes permitidas pueden basarse en la pendiente reglamentaria , que es la pendiente máxima que puede superar un tren de gran tonelaje con una sola locomotora. En algunos países, se permite la pendiente de impulso , que es más pronunciada pero más corta. Esto suele ocurrir cuando una pendiente se conecta con una vía recta nivelada lo suficientemente larga y sin señalización entre ellas, de modo que el tren puede generar impulso para superar una pendiente más pronunciada que la que podría superar sin el impulso adquirido en la vía recta nivelada.

En vías curvas (con o sin peralte), habrá resistencia a la curva que empujará a los trenes a través de ella. Las pendientes permitidas pueden reducirse en las curvas para compensar la resistencia adicional. ^{[ 6 ]} La pendiente debe ser uniforme a lo largo de la vía.

La curva vertical es la curva en el trazado vertical que conecta dos pendientes de vía, ya sea para pasar de una subida a una bajada (cima), de una bajada a una subida (depresión o valle), o para cambiar entre dos niveles de subida o entre dos niveles de bajada.

Algunos países no especifican la geometría exacta de las curvas verticales más allá de la especificación general sobre la alineación vertical. Australia especifica que la forma de las curvas verticales debe basarse en una parábola cuadrática , pero la longitud de una curva vertical dada se calcula en función de una curva circular. ^{[ 6 ]}

En vías curvas, generalmente se diseña para elevar el riel exterior, proporcionando una curva peraltada , lo que permite a los trenes maniobrar a través de la curva a velocidades más altas que de otro modo no serían posibles si la superficie fuera plana o nivelada. También ayuda a un tren a girar en una curva, evitando que las pestañas de las ruedas presionen los rieles, minimizando la fricción y el desgaste. La medida de la diferencia de elevación entre el riel exterior y el riel interior se llama peralte en la mayoría de los países. A veces el peralte se mide en términos de ángulo en lugar de diferencia de altura. ^{[ 13 ]} En América del Norte, se mide en diferencia de altura y se llama nivel transversal, incluso para la vía curva.

Cuando el carril exterior se encuentra a mayor altura que el carril interior, se habla de peralte positivo . Esta es la configuración deseada para vías curvas. La mayoría de los países logran el peralte positivo deseado elevando el carril exterior hasta ese nivel, lo que se denomina sobreelevación . En los ferrocarriles suizos, el peralte se consigue mediante la rotación del eje de la vía (centro de los dos carriles) para que el carril exterior quede sobreelevado (elevado) a la mitad de la inclinación deseada y el carril interior subelevado (rebajado) a la misma mitad de la inclinación deseada.

Cuando el carril exterior está a menor altura que el interior, se habla de peralte negativo (o inclinación cruzada inversa en Norteamérica). Esta disposición no suele ser la deseada, pero puede ser inevitable en algunas situaciones, como en curvas con desvíos .

Existen normativas que limitan la inclinación máxima. Esto tiene como objetivo controlar la descarga de las ruedas sobre el carril exterior (carril alto), especialmente a bajas velocidades.

La pendiente de peralte es la cantidad en que el peralte aumenta o disminuye en una longitud determinada de vía. El cambio de peralte es necesario para conectar una vía recta (sin peralte) con una vía curva (con peralte) a través de una curva de transición. La tasa de cambio del peralte se utiliza para determinar la pendiente de peralte adecuada para una velocidad de diseño determinada. El término torsión de vía también puede utilizarse para describir la pendiente de peralte, que puede expresarse como porcentaje de cambio de peralte por unidad de longitud. ^{[ 8 ]} Sin embargo, en el Reino Unido, el término torsión de vía se utiliza normalmente en el contexto de la pendiente de peralte, considerándose fallos aquellos valores más altos. ^{[ 13 ]}

En Norteamérica, la pendiente de peralte requerida en una curva de transición para lograr una conexión suave entre el peralte de la vía curva y el nivel transversal cero de la vía recta se denomina peralte de desnivel . Además de la especificación del peralte de desnivel, las regulaciones relacionadas con la tasa de cambio admisible en el peralte también forman parte de la especificación general sobre la tasa de cambio en el nivel transversal, denominada parámetro de deformación. El parámetro de deformación y el peralte de desnivel ayudan a calcular la longitud requerida del peralte de desnivel para una curva de transición. ^{[ 10 ]}

Como se ha descrito, el peralte puede utilizarse para reducir la aceleración lateral de los trenes que circulan por vías curvas. Esto permite equilibrar la fuerza centrífuga (fuerza que empuja hacia afuera de la curva) y la fuerza centrípeta (fuerza que empuja hacia adentro de la curva). A mayor velocidad, la fuerza centrífuga es mayor. Por el contrario, un mayor peralte genera una mayor fuerza centrípeta. El cálculo se basa en la suposición de una velocidad constante del tren en una curva de radio constante.

Cuando la velocidad del tren y la inclinación están en equilibrio (la fuerza centrífuga se equilibra con la centrípeta), se habla de equilibrio . Esto implica que las componentes de la fuerza rueda-riel, perpendiculares al plano de la vía, son iguales en conjunto para el riel exterior y el interior. Además, esto evita que los pasajeros perciban aceleración lateral (empuje hacia los lados).

Para una cantidad fija de peralte, la velocidad que crea el equilibrio se llama velocidad de equilibrio . Para una velocidad constante de un tren en movimiento, la cantidad de peralte necesaria para lograr el equilibrio se llama peralte de equilibrio . ^{[ 13 ]}

En la práctica, los trenes no circulan con peraltes de equilibrio en las curvas. Esta situación se denomina desequilibrio y puede presentarse de dos maneras. Para una velocidad dada, si el peralte real es menor que el peralte de equilibrio, la diferencia se denomina deficiencia de peralte . En otras palabras, es la cantidad de peralte que falta para lograr el equilibrio. Por el contrario, para una velocidad dada, si el peralte real es mayor que el peralte de equilibrio, el exceso de peralte se denomina exceso de peralte .

En una configuración de vía compartida para trenes con diferentes velocidades de operación, como trenes de carga y servicios de pasajeros de alta velocidad , se debe considerar el peralte en una curva tanto para velocidades altas como bajas. Los trenes de alta velocidad experimentarían un peralte insuficiente y los de baja velocidad un peralte excesivo. Estos parámetros tienen un efecto significativo en el rendimiento de la curva, lo que incluye la seguridad, la comodidad de los pasajeros y el desgaste del equipo y las vías. ^{[ 14 ]}