En general, una estructura ferroviaria típica podría dividirse en dos componentes principales: la superestructura ferroviaria, formada básicamente por rieles, el sistema de sujeción y travesías, y la subestructura ferroviaria. Dentro de los elementos que constituyen la superestructura férrea, los durmientes juegan un rol determinante, principalmente, en la transferencia de las cargas del riel al balasto (piedras de tamaño variable que vemos a lo largo de las vías) y a las capas por debajo del suelo. Además, mantienen las vías alineadas y el ancho de trocha fijo al proveer un soporte estable para los anclajes del riel.
> Leer también: Predicen temperatura del hormigón a través de modelos matemáticos.
La madera, que inicialmente fue empleada para la construcción de durmientes, se reemplazó en forma paulatina por otros materiales. Hoy en día el uso de durmientes de hormigón pretensado es el más popular, aunque se han observado muchas formas de falla y defectos en este tipo de durmientes. Las grietas por la unión central y la carga dinámica son algunas de las más comunes. Es por este motivo que el equipo integrado por la magíster ingeniera Melina Scaserra, el ingeniero Braian Desia, el ingeniero Rodolfo Schwarz y dirigido por el ingeniero Roberto Carnicer realizó un relevamiento de las normas internacionales en el campo del diseño y el cálculo de durmientes de hormigón para su aplicación en ferrocarriles argentinos.
Del relevamiento surgió que el ancho de vía argentino (1676 mm) es diferente al ancho de vía internacional (1435 mm) –el que se emplea en todo el mundo–. Fue entonces que los investigadores desarrollaron un análisis comparativo para evaluar el desempeño de dichos estándares internacionales en el diseño de las travesías utilizadas en ferrocarriles argentinos. Asimismo, compararon los resultados obtenidos por las diferentes normas mediante modelización numérica de durmientes con el objeto de establecer metodologías de cálculo adicionales.
Desde su invención, a principios de 1800, los ferrocarriles han desempeñado un papel fundamental en el transporte de bienes y pasajeros, proporcionando una de las formas de transporte más seguras y sostenibles en la actualidad.
Los durmientes representan uno de los elementos más importantes de la superestructura ferroviaria, ya que juegan un papel esencial en la distribución de cargas verticales, transversales y longitudinales. Históricamente, la madera fue el material más utilizado en durmientes, ya que demostró una buena relación entre el rendimiento alcanzado y la vida útil asociada. Sin embargo, debido a los recursos restringidos, los problemas ambientales del uso de madera y los requisitos de una mayor precisión a las tolerancias geométricas, especialmente para líneas de carga pesadas y de alta velocidad, comenzaron a utilizarse otros materiales. Como consecuencia, en la actualidad el uso de durmientes de hormigón pretensado monobloque es el más popular.
Un durmiente de hormigón monobloque típico está compuesto de concreto, armaduras de acero, placas de acero, según la tecnología de pretensado que se requiera, y tacos de plástico o anclajes incrustados, según el tipo de sistema de fijación utilizado. Dado que la resistencia a las cargas de las ruedas representa el requisito estructural más importante, los durmientes están diseñados principalmente para resistir estas cargas verticales y sus momentos de flexión resultantes. Varios aspectos están involucrados en el cálculo de estos momentos, la distribución de las presiones de contacto entre el durmiente y el balasto es uno de los de mayor importancia. Sin embargo, la estimación precisa de los momentos de flexión es una tarea compleja.
Algunas normas internacionales adoptan fórmulas simplificadas, obtenidas de trabajos de investigación empírica, para el diseño de la vinculación del hormigón y los sistemas de fijación. Sin embargo, está comprobado que, si los durmientes se diseñan mediante la aplicación de fórmulas empíricas y sin un análisis mecanicista apropiado de las posibles tensiones producidas en el campo real, podrían existir ineficiencias en el diseño, lo que aumentaría los costos de mantenimiento.
“Desafortunadamente se han observado muchas formas de falla y defectos en este tipo de durmientes. Teniendo en cuenta que estas fallas pueden producirse debido a supuestos de diseño incorrectos, parece necesario una mejora de los procesos de diseño de sistemas de sujeción y durmientes de hormigón y una mejor comprensión de los modos de fallas para maximizar la vida útil de los durmientes” detallan los investigadores.
Entre otras conclusiones, señalan que no todas las normas y manuales internacionales tienen una aplicación directa para el diseño de durmientes de hormigón según el ancho de vía argentino (1676 mm). Además, observaron que los resultados obtenidos utilizando los procesos de diseño propuestos por normas internacionales como AENOR9, Standards Australia11 y AREMA13 no fueron homogéneos respecto de los requisitos estructurales. Esta diferencia podría estar asociada no sólo a las distintas hipótesis asumidas por cada proceso de diseño, sino también a las suposiciones hechas para la adaptación de las metodologías para la determinación de los momentos de flexión en durmientes de vía de trocha ancha argentina.
El equipo de especialistas modelizó (con el modelo numérico de elementos finitos FEM) dos durmientes típicos correspondientes a trocha ancha argentina y trocha internacional para las situaciones extremas de servicio y para una serie de diferentes valores de balasto.
Los resultados numéricos, que fueron comparados con aquellos obtenidos mediante las diferentes normativas internacionales previamente analizadas, señalan que:
• Para la situación en la cual el durmiente está recién colocado y/o con mantenimiento adecuado, los valores obtenidos mediante FEM resultan levemente inferiores a aquellos dados por las diferentes normativas para todos los casos analizados. Puede establecerse que existe correspondencia entre el modelo numérico y las diferentes normativas.
• Para la situación en donde el durmiente se encuentra consolidado, puede observarse que el momento obtenido por FEM es superior al dado por la norma para los casos correspondientes a suelos de mala calidad (bajo coeficiente de balasto), y principalmente para el durmiente de trocha ancha. Esta situación puede conducir a una falla prematura del durmiente en condiciones donde el mantenimiento no es el adecuado.
> Leer también: Nuevo sistema para construcciones antisísmicas.
Como conclusión, puede inferirse que en aquellos casos de rieles recién colocados o que tienen un adecuado mantenimiento, los diseños mediante normas internacionales son adecuados aún para trocha argentina. En cambio, el desconocimiento del estado del balasto ante faltas de mantenimiento requeriría evaluar el mecanismo de falla de la estructura mediante métodos de cálculo más detallados, dado que los resultados obtenidos por las normas internacionales no contemplarían el funcionamiento adecuado del durmiente.