Pag 1 din 37

MODERN RAILWAY TRACK

COENRAAD ESVELD

SECOND EDITION TU DELFT

2001

CALEA PE BALAST

TRADUCERE DE STELIAN POSTOACA SI GABRIELA CATRINA

2011

Pag 2 din 37

8. Calea pe balast

8.1 Introducere

Acest capitol trateaza principiile conform carora este construita calea pe balast, denumita si “cale clasica” sau “cale conventionala”. O discutie detaliata despre fiecare tip de structura a caii si variantele acesteia depaseste scopul acestei carti. Doar cateva exemple vor fi date in scopul ilustrarii principiului.

Calea ferata clasica este constituita dintr‐o structura tip alcatuita din sine si traverse, sustinute de prisma de balast. Prisma de balast este asezata pe un strat de tranzitie din pietris, care face trecerea catre infrastructura caii. Figura 8.1 si figura 8.2 prezinta principiul de constructie al structurii caii clasice. Sinele si traversele sunt conectate prin elemente de legatura ‐ prinderi. Aceste componente si alte structuri precum schimbatoare si traversari sunt considerate ca facand parte tot din calea de rulare. Particularitatile schimbatoarelor si traversarilor sunt discutate in capitolul 11.

Figura 8.1 Principiul structurii caii – sectiune transversala

Figura 8.2 Principiul structurii caii – sectiune longitudinala

Pag 3 din 37

De la inceputul cailor ferate, principiul structurii caii pe balast nu s‐a schimbat substantial. Imbunatatiri importante, dupa al doilea razboi mondial includ: introducerea caii fara joante, utilizarea traverselor de beton, utilizarea sinelor de tip greu, prinderi elastice inovative, mecanizarea intretinerii, si introducerea echipamentului avansat de masurare si a sistemelor de management al intretinerii. In concluzie, suprastructura caii pe balast poate satisface in continuare cerintele inalte, dupa cum a fost demonstrat de caile ferate pentru TGV (tren de mare viteza) din Franta.

Principalele avantaje ale caii pe balast sunt:

‐ Tehnologie confirmata; ‐ Costuri de constructie relativ scazute; ‐ Inlocuirea simpla a componentelor; ‐ Corectia relativ simpla a geometriei caii (intretinerea); ‐ Mici ajustari ale traseului (curbelor) caii sunt posibile; ‐ Capacitate buna de drenare a apei; ‐ Elasticitate buna; ‐ Atenuare buna a zgomotului.

Tipul structurii alese depinde nu doar de viteze si sarcini pe osie anticipate, dar de asemenea, de durata de serviciu necesara, tipul si complexitatea lucrarilor de intretinere, conditiile locale si disponibilitatea materialelor de baza din zona. Acest lucru inseamna ca alegerea unui sistem de cale este o problema atat tehnica, cat si economica care trebuie rezolvata pentru fiecare caz in parte. O importanta deosebita o reprezinta relatia dintre costurile de constructie a unei cai noi si costurile de reinoire a caii existente, fara sa uitam costurile continue de intretinere. Scopul este acela de a ajunge la costuri totale minime de mentenanta si reinoire, cu alte cuvinte, costuri minime per ciclul de viata.

Datorita dezavantajelor certe ale caii pe balast, care devin din ce in ce mai pronuntate in constructia moderna de cai ferate, calea pe dale progreseaza spre a deveni o alternativa competitiva. Care dintre cele doua tipuri de cale, pe balast sau pe dale, este de preferat este subiectul capitolului 9, in care sunt prezentate si detaliile tehnologice ale caii pe dale.

Una din componentele importante ale caii de rulare, “sina”, este prezentata, de asemenea, separat in capitolul 10.

In urmatoarele subcapitole sunt prezentate diferitele componente ale caii de rulare.

8.2 Infrastructura caii

Infrastructura caii este alcatuita din terasamente inclusiv taluzuri, banchete, santuri si substructuri ale acestora.

Infrastructura trebuie sa aiba o buna capacitate portanta si stabilitate, tasarea sa fie in limite rezonabile, si trebuie sa asigure scurgerea apei din prisma de balast rezultata din ploi si topirea zapezii. Daca fundatia existenta nu poate asigura aceste cerinte, solul poate fi imbunatatit fie prin saparea unui

Pag 4 din 37

sant, consolidarea terenului prin mijloace mecanice, sau stabilizarea acestuia prin mijloace chimice. In capitolul 5 este prezentat un sistem de clasificare al calitatii solurilor.

Fundatia trebuie sa fie bine consolidata si sa aiba capacitate portanta corespunzatoare. De asemenea, profilul nu trebuie sa difere prea mult de profilul proiectat.

Urmatoarele cerinte sunt universal valabile:

‐ Capacitate portanta minima CBR >5% (EV2 > 35 MN/m2); ‐ Compactare 97% Proctor; ‐ Deviatia de la profilul proiectat mai mica de 10 mm.

In vederea asigurarii unei capacitatii de filtrare bune, un strat intermediar este asezat intre prisma de balast si substratul caii. Acesta este constituit dintr‐un strat de pietris de aproximativ 10 cm, cu marimea granulei de de 5/40 mm. Functia acestui strat intermediar este de a separa balastul grosier de stratul de nisip. Stratul contribuie, de asemenea, la distribuirea mai buna a sarcinilor si asigura protectie impotriva inghetului. Cerintele globale ale stratului de tranzitie sunt:

‐ Capacitate portanta minima CBR >25% (EV2 > 100 MN/m2); ‐ Compactare 100% Proctor; ‐ Deviatia de la profilul proiectat mai mica de 10 mm.

In legatura cu stratul intermediar, se poate folosi si o tesatura facuta din material sintetic (geotextil). Functia principala a acesteia este de a preveni patrunderea particulelor fine. Pentru a preveni deteriorarea materialului geotextil, este necesar sa introducem un strat de protectia impotriva materialelor fine deasupra si sub materialul geotextil.

8.3 Prisma de balast

Prisma de balast este constituita dintr‐un strat de material necoeziv, granular, care in urma frecarii dintre granule poate prelua forte de compresiune considerabile, dar nu si de intindere. Capacitatea portanta a prismei de balast in plan vertial este mare, dar in plan orizontal este redusa.

Grosimea prismei de balast trebuie sa fie de o asemenea marime astfel incat substratul sa fie incarcat cat mai uniform posibil. Grosimea optima este de obicei de 25‐30 cm, masurata de la partea inferioara a traversei.

Pe langa functia de distribuire a incarcarii si asigurarea rezistentei laterale, capacitatea de drenaj a prismei de balast este importanta, precum si capacitatea de retentie pe timpul ploilor torentiale fiind un aspect care nu trebuie subestimat.

Dupa punerea in opera a substratului caii, stratului de tranzitiei si a prismei de balast, trebuie acordata o atentie sporita la detalii pentru a preveni tasarea diferentiata cu mai mult de 10 mm.

Pag 5 din 37

Contaminarea stratului de balast poate avea atat cauze interne, cat si externe, ca uzura si dezagregarea materialului de balast, sau infiltrarea particulelor fine sub forma unui amestec de lut, denumit clei.

O prisma de balast contaminata ingreuneaza scurgerea apei care determina scaderea rezistentei la forfecare si inghet pe timpul iernii. Cerintele principale ale materialului de balast sunt duritatea, rezistenta la uzura si distributie adecvata a marimii granulelor. Granulele trebuie sa aibe forma cubica si sa aibe margini ascutite.

Unele dintre cele mai folosite materiale pentru prisma de balast sunt:

‐ Piatra sparta: roci eruptive, metamorfice sau sedimentare ca porfir, bazalt, gnais, calcar, gresie, etc. Granulometria este de 30/60 mm pentru lini principale si 20/40 mm pentru schimbatoare, traversari si treceri la nivel. In principiu, piatra sparta are multe proprietati favorabile, dar este sensibila la dezagregare, dand nastere posibilitatii formarii noroiului.

‐ Pietrisul: obtinut din albiile raurilor, granulometrie 20/50 mm. Pietrisul este foarte tare, dar este alcatuit din granule rotunde, ceea ce inseamna ca o prisma de balast compusa din pietris are un nivel de frecare interna scazut.

‐ Pietris concasat: obtinut prin spargerea pietrisului de dimensiuni mari, sort 20/40 mm. Rezistenta pietrisului concasat este mai mare decat a pietrisului normal.

Figura 8.3 prezinta rezultatul unui studiu aprofundat asupra prismei de balast efectuat de Comitetul D182 al ERRI (Institutul European de Cercetare Cai Ferate) si publicat de CEN.

Conform descoperirilor ERRI, curatirea prismei de balast este necesara in cazul in care contaminarea este mai mare de 30%, contaminare exprimata prin cantitatea ce trece prin sita cu gauri dreptunghiulare de 22,4.

Figura 8.3: Specificatii prisma de balast

Pag 6 din 37

8.4 Sine

8.4.1. Functii

Sina poate fi considerat cea mai importanta componenta a structurii caii ferate si are urmatoarele functii:

‐ sustine incarcarile rotilor si le distribuie in traverse sau suporti;

‐ ofera ghidaj lateral rotii, orice forte transversale orizontale aplicate asupra ciupercii caii fiind transferate si distribuite catre traverse si suporti;

‐ actioneaza ca un conductor electric la liniile electrificate;

‐ conduce curentul de semnal.

8.4.2. Tipuri de profile

Figura 8.4 arata diferite tipuri de profil ale sinei:

‐ sina cu fund plat. Acesta este profilul standard folosit cel mai des la caile ferate conventionale;

‐ profil non‐standard. Acest tip difera de cel cu fundul plat prin faptul ca grosimea inimii sinei este mai mare pentru a tine seama de componentele schimbatoarelor si macazurilor, echipamentele de expansiune, etc;

‐ sina cu fagas. Acest tip este folosit la structurile inchise de cale ferata ca sosele, depouri, etc.

Figura 8.4 Tipuri de profil ale sinei

Sina bloc face parte din structura Nikex. Sina pentru macarale este proiectata sa sustina macarale cu incarcare mare pe roti. Pentru a reduce zgomotul produs, proiecte noi de sine sunt propuse in prezent, fiind foarte compacte si fiind folosite ca sine incorporate in dalele de cale ferata.

8.4.3. Geometria sinei cu fund plat

Sina Vignole (sina cu fund plat) este derivata din profilul I, in scopul sustinerii si ghidarii, talpa superioara fiind transformata astfel incat sa formeze ciuperca sinei. Profile de sina des utilizate in

Pag 7 din 37

Europa sunt 54 E1 (UIC 54) si 60 E1 (UIC 60), prezentate in figura 8.5 si 8.6. Numerele fac referinta la greutatea rotunjita in kilograme pe metru.

Figura 8.5 Profile de sina tip Vignole Figura 8.6 Profil 60 E1 (UIC 60).

Din punct de vedere functional, sina cu fund plat poate fi impartita in trei parti:

‐ ciuperca sinei: forma trebuie sa fie de asa fel incat sa asigure un contact bun intre sina si roata. Dimensiunile acesteia trebuie sa fie suficient de mari astfel incat sa asigure toleranta la uzura;

‐ inima sinei: grosimea acesteia este determinata de necesarul de rigiditate la incovoiere si flambaj, chiar cand este afectata de coroziune. La sinele cu joante, gaurile pentru prinderi se fac in inima sinei. Pentru a permite prinderea sinelor, zona dintre ciuperca sinei si picior este concava. Raza racordarii trebuie sa fie mai mare de 6 mm pentru a preveni concentrarea eforturilor;

‐ talpa sinei: latimea talpii trebuie sa fie suficienta pentru a asigura stabilitatea profilului sinei, distributia sarcinii catre traversa, si momentul de inertie cerut in directie laterala.

Talpa sinei serveste pentru a prinde sina direct sau indirect de traversa. Cand se inlocuieste sina cu un alt profil, trebuie sa se tina cont de latimile diferite ale talpilor sinei care nu pot fi intotdeauna adaptate la prinderile existente.

Variatiile de forma si dimensiune ale profilelor sinelor, care apar in timpul procesului de fabricare, trebuie sa nu depaseasca anumite limite care pot sa creeze anumite probleme in timpul procesarii si pot rezulta in aparitia unor solicitari dinamice mari.

Cand se construieste o cale ferata, se recomanda utilizarea sinelor din acelasi lot de productie si sa se asambleze in acelasi sens cu directia de rotire a acestora. In acest scop, sinele sunt marcate conform unui cod de numerotare.

Aspecte referitoare la metalurgie, uzura si esecul sinelor sunt tratate in capitolul 10.

Pag 8 din 37

8.5 Joante si suduri

8.5.1 Introducere

Joante si suduri se folosesc pentru a uni intre ele sectiuni de sine diferite. Deviatiile geometrice trebuie sa fie destul de mici pentru a limita efectele dinamice. Rezistenta si rigiditatea trebuie sa fie aproximativ aceleasi pe toata lungimea sinei. Exista urmatoarele optiuni:

‐ cu posibilitatea de dilatare:

‐ joante cu eclise pentru sinele discontinue;

‐ joante si dispozitive de dilatatie;

‐ structuri de tranzitie catre poduri.

‐ fara posibilitatea de dilatare:

‐ suduri metalurgice, ca suduri cap la cap prin topire, suduri aluminotermice si suduri cu arc electric;

‐ joante lipite izolante.

Ca sa se faca diferenta de sudurile metalurgice, celelalte tipuri sunt descrise ca joante cu eclise.

8.5.2 Joante cu eclise

Joantele cu eclise sunt utilizate pentru a conecta sinele. Joantele sunt realizate prin intermediul ecliselor si suruburilor, ca in figura 8.7. Trebuie sa se aloce spatiu pentru deplasarile axiale datorita variatiei temperaturii.

Datorita impactului mare, joantele cu eclise sunt deseori amplasate pe traverse duble, ex: doua traverse cuplate. Desi sarcina este distribuita pe doua traverse, joanta necesita multa intretinere. In plus, tiparul diferit al traverselor cere atentie sporita la burare.

Datorita lucrarilor suplimentare necesare intretinerii, joantele cu eclise sunt utilizate cat de putin posibil.

Pag 9 din 37

Figura 8.7: Joante cu eclise pe traverse duble

8.5.3. Rosturi de dilatatie si dispozitive de dilatatie

Aceste dispozitive sunt utilizate pentru mentinerea sinei fara incarcari in cazul in care aceasta este supusa unor deformatii mari cauzate de variatiile de temperatura sau fenomenului de fluaj.

Pe unele cai ferate, ca cel britanice, rosturile de dilatatie sunt facute din sine standard prelucrate. Rostul de dilatatie, prezentat in figura 8.8, este facut dintr‐o sina neconventionala si permite o deplasare axiala maxima de 120 mm. Rosturile de dilatatie sunt costisitoare si sunt folosite doar la caile articulate langa grinzile mobile ale unor structuri relativ mari, la sfarsitul caii fara joante, sau la schimbari de structura ca macazuri, schimbatoare si poduri.

Figura 8.8 Rost de dilatatie

Dispozitivul de dilatatie consta dintr‐o sina standard fixata si o lama, precum este ilustrat in figura 8.9, care se poate muta paralel cu sina standard fixata pe o distanta maxima de 220 mm. Acest dispozitiv este utilizat la calea fara joante la structurile ce prezinta o dilatatie mare.

Pag 10 din 37

Figura 8.9 Dispozitiv de dilatatie

8.5.4. Structuri de tranzitie la poduri

Aceste structuri tin cont de miscarile podurilor – verticale sau in plan. Exista doua tipuri de structuri. Structura de tranzitie cu joante oblice este utilizata la podurile cu miscare verticala si este similara cu rosturile de dilatatie. Structura de tranzitie cu filer, prezentata in figura 8.10 este folosita la poduri care nu pot fi ridicate, ca podurile basculante. In acest caz, roata se aseaza partial pe filer care poate fi impins inapoi inainte de deschiderea podului.

Figura 8.10 Structura de tranzitie cu filer la pod

8.5.5 Joante izolante

In vederea separarii circuitelor de cale, in timpul operarii sistemelor automate de blocare, se folosesc joante izolante. Asemenea joante trebuie folosite exclusiv la izolarea fiecarei sine alaturate, iar proprietatile mecanice ale sinei trebuie mentinute pe cat posibil. Joantele sunt alcatuite din eclisa, suruburi si material de izolare.

Se folosesc doua tipuri de joante izolante:

‐ joante izolante care nu sunt lipite

Pag 11 din 37

Acest tip de joante contin un cap de nailon de 6 mm, amplasat in spatiul dintre sine si o placuta din material sintetic intre eclise si sine. Suruburile si eclisele sunt, de asemenea, izolate. Datorita faptului ca aceasta structura nu poate suporta forte mari longitudinale, nu este folosita la calea fara joante.

‐ joante izolante lipite

Acest tip de joanta este fabricata similar cu joanta nelipita, in afara placutei. Efectul de izolare, in acest caz este obtinut prin folosirea unui adeziv sintetic, prezentat in figura 8.11. Acest tip de joanta este capabila sa transfere sarcinile din sinele caii sudate pana la valori de 1000kN. Aceste joante pot fi realizate in santier, sau pot fi prefabricate ca o sectiune de sina, care ulterior poate fi sudata de celelalte sine. Pe sinele NS (Calea ferata Norfolk Southern), rezistenta electrica (impedanta) trebuie sa fie de cel putin 10 Ω sau 100 kHz.

Figura 8.11 Joanta izolanta lipita

Imbinarea sinelor prin sudura prin contact electric si presiune

Imbinarea sinelor prin sudura prin contact electric si presiune este de obicei efectuata in ateliere de sudura cu masini fixe de sudat. Din punct de vedere calitativ, imbinarile prin sudura prin contact electric si presiune sunt mai bune decat sudurile aluminotermice, care vor fi prezentate mai jos. Exista si masini mobile de sudura prin contact electric si presiune, astfel incat sudurile sa poata fi efectuate si pe teren.

Calitatea metalurgica a sudurii, data de rezistenta la oboseala, realizata cu echipamentele mobile este la fel ca cea produsa de echipamentele fixe. Dificultatea consta in obtinerea unor proprietati geometrice bune.

Pe scurt, procedura este urmatoarea:

‐ capetele sinelor sunt prelucrate;

Pag 12 din 37

‐ sinele sunt pozitionate;

‐ se aplica curent electric;

‐ arcul electric ridica temperatura capetelor sinelor;

‐ capetele sinelor refuleaza sub presiune ridicata;

‐ bavura este inlaturata;

‐ sudura este racita, indreptata si finisata.

Detalii suplimentare sunt date in Sectiunea 10.4.

Sudura aluminotermica

Sudurile aluminotermice au fost dezvoltate pentru a facilita efectuarea sudurii metalurgice a sinelor cu echipament relativ simplu. Aceasta metoda consta in utilizarea unui amestec de pudra de aluminiu si oxid de fier, care la temperaturi ridicate este transformat in alumina si otel. Caldura degajata ridica temperatura la aprox. 2500 oC. Procesul tehnologic, in care partea de sudura dureaza aproximativ 15 minute, este urmatorul:

‐ capetele sinelor sunt aliniate;

‐ matrita este asezata in jurul imbinarii;

‐ creuzetul este instalat;

‐ sinele sunt pre‐incalzite pana la 900 oC, folosind arzatoare cu propan;

‐ amestecul este aprins, reactia fiind 2Al + Fe2O3 ‐> Al2O3 + 2Fe + 850 kJ;

‐ creuzetul si matrita sunt indepartate;

‐ gulerul de sudura este indepartat si finisat.

Detalii suplimentare sunt date in Sectiunea 10.4.

Sudura cu arc electric

In procesul de sudura cu arc electric, sudura porneste de la piciorul sinei, in interiorul unui „invelis” de cupru, folosind electrozi. Procedura dureaza 15‐20 de minute si este in principiu urmatoarea:

‐ amplasarea invelisului pe pozitie;

‐ pre‐incalzire pana la 200‐250 oC, folosind arzatoare cu propan;

Pag 13 din 37

‐ sudarea rostului de jos in sus;

‐ inlaturarea invelisului.

Datorita calitatii slabe, acest tip de sudura este utilizat doar cand sudura aluminotermica nu poate fi aplicata.

8.6. Traversele

8.6.1. Introducere

La caile pe balast, sinele sunt asezate pe traverse, formand impreuna partea prefabricata a suprastructurii. In mod uzual se folosesc traverse de lemn si beton, iar intr‐o mai mica masura si traverse de otel. Avantajul traverselor de beton este efectul scazut al influentelor climatice. In anumite conditii, durata de viata a acestora din urma este semnificativ mai mare decat a traverselor de lemn. Aceste conditii presupun ca prisma de balast si infrastructura caii sa fie de calitate buna, la fel si sina si geometria sudurilor. Traversele de beton sunt sensibile la socuri, in special in jurul frecventelor de 25‐300 Hz.

Cerintele si rolul traverselor sunt:

‐ sa asigure suport si posibilitati de fixare pentru talpa sinei si prinderi;

‐ sa preia fortele din sina si sa le transfere catre prisma de balast cat mai uniform posibil;

‐ sa mentina ecartamentul si inclinarea sinelor;

‐ sa asigura izolatie electrica adecvata intre cele doua sine;

‐ sa fie rezistente la influentele mecanice si sa reziste la uzura timp indelungat.

Pentru a asigura stabilitatea, este de dorit ca traversele sa fie rezemate doar in zona de sub sine. In cazul traverselor prismatice, precum cele de lemn, si a celor monobloc din beton, acest lucru este obtinut prin burarea acestei zone lasand zona centrala libera, dupa cum este prezentat in figura 8.12. In cazul traverselor de beton bi‐bloc, acest lucru este realizat de structura propriu‐zisa.

Figura 8.12 Burarea traverselor

In plus, trebuie sa ne asiguram ca traversa nu se roteste sub sina in urma actiunii incarcarilor verticale, acest aspect putand cauza marirea sau micsorarea ecartamentului si modificarea inclinarii sinei. Acest lucru se intampla daca traversa este rezemata in zona centrala sau la exterior, ca rezultat al burarii incorecte.

Pag 14 din 37

Pentru a ne asigura ca rezistenta in directie longitudinala si transversala a prismei de balast este folosita la maxim, capetele si muchiile traversei trebuiesc inglobate complet in materialul prismei de balast. Distanta dintre centrele traverselor este de obicei de 60 cm. La caile fara joante cu incarcari usoare aceasta valoare poate fi marita la 75 cm.

8.6.2 Traversele de lemn

Traversa din lemn are forma prismatica, cu inaltimea de 15 cm si latimea de 25 cm. Lungimea unei traverse este de 2,60‐2,70 m si cantareste aproape 100 de kg, ceea ce inseamna ca poate fi inlocuita manual.

Ca exemplu, figura 8.13 arata o traversa de lemn consolidata cu o placuta de rezemare.

Figura 8.13 Traversa de lemn consolidata cu placuta de rezemare.

Se folosesc urmatoarele tipuri:

‐ traverse din lemn de esenta moale (lemn de pin). Cum rezistenta la compresiune perpendiculara pe fibra lemnoasa nu este mare in cazul lemnului de esenta moale, o placuta de rezemare din otel trebuie asezata intre traversa si sina in vederea distributiei incarcarii pe o suprafata mai mare. Pe termen lung, insa, placa taie in lemnul moale, formand un gol prin care poate patrunde apa (efect de pompare), rezultand in deteriorarea rapida a calitatii prinderii. Acest fenomen este incetinit prin tratarea suprafetei portante a traversei cu un material sintetic. Aceasta procedura, care este urmate de NS, creste durata de viata a traversei cu aprox 50%.

‐ traverse din lemn de esenta tare (fag, stejar, varietati tropicale). Acest tip este mai puternic si prezinta durata de exploatare mai mare. Traversele din lemn de esenta tare sunt folosite, de exemplu, la macazuri si schimbatoare si in situatiile in care prinderile sunt aplicate fara placuta de rezemare.

Pag 15 din 37

Traversele folosite la macazuri si schimbatoare, numite portante, au sectiune normala, dar sunt mai lungi, ajungand la 5,5 m si trebuie sa fie complet plate pentru a se potrivi macazul. Traversele de poduri sunt traverse din lemn de dimensiuni speciale pentru utilizarea la podurile metalice.

Odata livrate, traversele din lemn trebuiesc supuse unei serii de tratamente, descrise mai jos, inainte sa fie pozitionate:

‐ perioada de uscare de cel putin 9 luni pana cand nivelul umiditatii scade la 20‐25%, relativ la greutatea lemnului uscat;

‐ procesare ca:

‐ frezarea suprafetelor portante;

‐ gaurirea traverselor in vederea realizarii prinderilor;

‐ legarea traversei cu o plat‐banda de otel pentru a limita fisurile.

‐ tratarea (cu creozot) traverselor de lemn impotriva atacurilor biologice (ciuperci, insecte, etc.). Creozotul este impregnat in lemn la presiune inalta, dupa care o parte din ulei este recuperata prin vacum;

‐ fixarea sistemului de prindere.

Durata de viata, in ani, a traverselor de lemn este: lemn de pin 20‐25, fag 30‐40 si stejar 40‐60.

Spre deosebire de alte tipuri de lemn, fagul trebuie tratat cu creozot periodic. Astfel se obtine o durata de viata mai mare. Daca nu este tratat, fagul este rapid atacat de ciuperci si se altereaza.

In concluzie, durata de viata a traverselor tratate nu depinde de imbatranire, ci de efectele mecanice.

8.6.3. Traverse de beton

Dezvoltarea si utilizarea traverselor de beton s‐a accentuat dupa al Doilea Razboi Mondial, datorita deficitului de lemn, introducerea cailor fara joante, imbunatatirilor din tehnologia betonului si tehnicilor de pre‐tensionare.

Avantaje si dezavantaje specifice traverselor de beton sunt:

Avantaje:

‐ greutate ridicata (200‐300 kg), utila in legatura cu stabilitatea cailor fara joante;

‐ durata de exploatare ridicata, cu conditia ca prinderile sa fie in stare buna sau sa fie usor de inlocuit;

Pag 16 din 37

‐ libertate mare in proiectare si constructie;

‐ relativ usor de produs.

Dezavantaje:

‐ mai putin elastice decat lemnul. Utilizate pe pamant de fundare de calitate slaba , poate avea loc fenomenul de pompare;

‐ predispuse la ondulare si calitate slaba a sudurilor;

‐ riscul deteriorarii in urma socurilor (deraiere, incarcare / descarcare, burare);

‐ incarcarile dinamice si eforturile in prisma de balast pot fi cu 25% mai mari;

‐ valoarea reziduala negativa.

Traversele de beton pot fi de 2 tipuri:

‐ traverse bi‐bloc. Acest tip consta din doua blocuri de beton armat conectate printr‐o teava sau tija. Pana in 1990, NS folosea traversa de beton UIC 54, prezentata in figura 8.15, cu prinderi tip DE. Blocurile sunt conectate printr‐o teava sintetica, umpluta cu beton armat. Suprafata superioara a blocurilor are o inclinatie de 1:40, care corespunde inclinarii sinei. Greutatea este aproximativ 210 kg. Figura 8.17 arata o cale ferata pentru TGV a SNCF cu traverse bi‐bloc si prinderi Nabla (figura 8.26)

Figura 8.14 Cale ferata pentru TGV Paris‐Est cu traverse bi‐bloc si prinderi Nabla

‐ traverse monobloc. Acest tip de traversa are forma unei grinzi si are aproape aceleasi dimensiuni ca si traversa de lemn. Din 1990, NS a folosit acest tip de traversa la liniile noi si la reabilitari deoarece se considera ca suporta mai bine incarcarile mari si concentrate decat traversele bi‐bloc. In figura 8.16 este prezentata o traversa pre‐tensionata, denumita NS 90. Sina este legata folosind prinderi Vossloh. Figura 8.17 prezinta o cale cu traverse de beton pre‐tensionate. Sina este legata folosind prinderi Pandrol.

Pag 17 din 37

Figura 8.15 Traversa bi‐bloc din beton armat

Figura 8.16 Traversa monobloc pre‐tensionata

Avantajele traversei bi‐bloc monobloc sunt:

Pag 18 din 37

‐ suprafata portanta bine definita in relatia cu prisma de balast;

‐ rezistenta laterala crescuta in prisma de balast datorita numarului dublu de suprafete.

Figura 8.17 Tren KTX pe sina cu traverse de beton

Avantajele traverselor de beton monobloc sunt:

‐ pret mai mic;

‐ sensibilitate scazuta la fisurare;

‐ pot fi pre‐tensionate.

8.6.4. Traverse metalice

Traversele metalice sunt folosite la scara redusa datorita urmatoarelor probleme:

‐ izolatie;

‐ intretinerea folosind burator;

‐ pret relativ ridicat.

Pe de alta parte traversele metalice au cateva puncte tari, ca:

‐ durata de viata mare;

‐ dimensionare cu acuratete;

‐ valoare reziduala pozitiva.

Pag 19 din 37

8.7. Imbunatatiri ale cailor pe balast

8.7.1. Introducere

Suprastructura pe balast a cailor traditionale a avut parte de imbunatatiri in ceea ce priveste proiectarea. Prisma de balast distribuie incarcarea de sub traverse spre fundatie. Aceasta incarcare creeaza presiune intre punctele de contact ale particulelor, provocand deteriorarea prismei de balast: particulele se erodeaza si se deplaseaza, balastul se polueaza, diminuandu‐i‐se capacitatea de drenaj si astfel calitatea caii scade. Lucrari de intretinere sunt necesare la intevale regulate, in functie de tonajul ce a solicitat calea.

Exista o legatura directa intre nivelul de presiune si deteriorarea caii. Scazand presiunea medie aplicata prismei de balast, deteriorarea acesteia va scadea. Pentru a atinge acest obiectiv se poate folosi un profil al sinei mai greu care distribuie greutatea pe mai multe traverse, se poate scadea distanta dintre traverse, sau sa se mareasca suprafata portanta a traverselor, facandu‐le mai lungi sau mai late. S‐au facut mai multe incercari cu traverse mai late sau traverse placa, dar nu au fost incununate de succes.

8.7.2. Traverse late

In prezent, in Germania, „traversa lata” a fost dezvoltata in urma incercarilor anterioare. Principala problema de atunci era incapacitatea de a asigura tehnici specifice de burare. In prezent aceasta problema a fost rezolvata. Acest tip de traverse lata are 2,4 m lungime si 57 cm latime. Distanta dintre ele este de 60 cm, lasand un spatiu de 3 cm ce este acoperit cu un invelis de cauciuc (Fig. 8.18).

Fig. 8.18: Cale pe traverse late

In cazul traverselor late, greutatea este dublata, ajungand la 560 kg, si la o sarcina pe osie de 22,5 tone, rezulta o presiune medie de 2 kg/cm2, comparativ cu 3,7 kg/ m2 pentru traversele traditionale. Platforma caii nu este afectata de ploaie si vegetatie, rata de poluare fiind astfel redusa.

Datorita faptului ca acum calea poate fi considerata o placa continua, formata din elemente finite, burarea poate fi facuta doar la capetele traverselor sau la marginea „placii”. Dispozitivul de burare trebuie rotit la 90o.

Primele incercari au inceput la Waghausel, Germania in 1996 cu 450 m de sina. Dupa 50 MGT (milioane tone brute), valoarea Q a fost egala cu 28, insemnand o geometrie a sinei „buna” spre „foarte buna”. Dupa aceasta, o cale ferata de 6 km a fost construita intre Hamburg / Saar si Bexbach in octombrie 1997 in apropierea unei cai traditionale de referinta. Viteza maxima permisa a fost de 120 km/h cu o incarcare din trafic de 18.500 – 21.000 tone / zi, raza curbei de 350 m cu o suprainaltare de maxim 135 mm.

Pag 20 din 37

Masuratorile continue au aratat urmatoarele rezultate:

‐ stabilitate ridicata a platformei caii;

‐ cresterea stabilitatii laterale cu 15 %;

‐ cresterea emisiei de zgomot cu 2 dB (A), care poate fi injumatatita folosint masuri de reducere a zgomotului;

‐ emisii de zgomot scazute ale caroseriei;

‐ comportament de deformare favorabil (comparativ cu calea de referinta fiind mai mic de 50%);

‐ aproape nici o lucrare de intretinere nu a fost necesara timp de 3,5 ani,.

Costurile de constructie sunt cu aproximativ 10‐20% mai mari decat calea pe balast normala. Aceste costuri aditionale sunt recuperate pe termen mediu prin valoarea redusa a lucrarilor de intretinere.

8.7.3 Traversa cadru

Traversa cardu isi propune sa inlocuiasca structura de transmitere a incarcarilor cailor pe balast traditionale. Ex: traverse transversale la o distanta constanta, printr‐o retea‐grinda, combinand astfel

grinda longitudinala continua cu elemente transversale. „Grinda longitudinala” este formata din sectiuni in cadre care sunt conectate si legate intre ele prin intermediul sinei si prinderilor, care se afla la fiecare capat al traversei cadru. Prin urmare, sarcina de pe roata in miscare este transmisa in mod continuu catre prisma de balast, astfel reducand substantial presiunea sub traversa si variatiile eforturilor.

Figura 8.19 Traversa dubla in H de la SLL, Austria.

Traversa dubla in H (figura 8.19) a fost testata in Austria. Aceste elemente pot fi considerate doua traverse, conectate in dreptul prinderilor cu „poduri”. Acelasi principiu ca cel al traverselor late este folosit pentru a creste suprafata portanta a traversei, astfel diminuandu‐se presiunea asupra prismei de balast. Elementele au lungimea de 2,4 m si latimea de 0,95 m, cu doua seturi de prinderi per element. Intre sistemele de prindere, sina este sustinuta de podul de beton ce asigura un un suport aproape continuu pentru sina. Sub elementele traversei un strat din material polimeric de 12 mm grosime asigura o mai buna dispersie a incarcarii si atenuare suplimentara. Testele au aratat o reducere a tasarii cu 2/3, comparativ cu o traversa normala.

Pag 21 din 37

Un alt proiect austriac dezvoltat in acelasi timp il reprezinta traversele cadru prezentate in figura 8.20. Prevederea fiecarei traverse‐cadru cu 4 prinderi, creeaza o rigiditate foarte ridicata in plan orizontal, asigurand stabilitatea aliniamentului si crescand rezistenta la flambaj peste limitele existente. O placuta elastica este incorporata in structura de beton la talpa traversei‐cadru pentru a imbunatati interfata balast – beton.

Rezistenta laterala foarte mare si rigiditatea cadrului ofera cea mai buna asigurare pentru un aliniament durabil. Tasarea redusa si diferentele de tasare indica o geometrie a caii mult mai durabila, si astfel o mai mare disponibilitate a infrastructurii.

Figura 8.20 Traversa cadru

8.7.4. Stabilizarea locala a prismei balastului prin folosirea unui liant chimic.

Utilizand un amestec de rasini lichide si intaritori putem lipi materialul din prisma de balast. Lipirea se realizeaza in punctele de contact dintre particule, transformand materialul nelegat intr‐un material compus de inalta rezistenta si astfel prevenind afanarea acestuia si denivelarea la fata traversei.

Lipirea materialului din prisma de balast se efectueaza in scopul prevenirii deteriorarii acestuia in urma caderii blocurilor de gheata de pe trenuri. Iarna se formeaza gheata pe partea inferioara a vagoanelor, ceea ce inseamna ca blocuri de gheata foarte grele se pot forma datorita spatiului considerabil de sub vagoane. Cand aceste blocuri se desprind la viteze mari pot provoca daune considerabile. Cand blocurile de gheata lovesc prisma de balast, pot provoca reactii asemanatoare exploziilor asupra materialului din prisma de balast.

Riscul ca blocurile de gheata sa se desprinda creste in tunelurile lungi din cauza variatiilor de temperatura sau schimbarii bruste a presiunii aerului. Prin urmare, in tunelurile lungi, materialul din prisma de balast din fata capetelor traverselor este stabilizat printr‐un liant inert, non‐toxic. Acest liant

Pag 22 din 37

diminueaza intr‐o mare masura pericolul cauzat de formarea denivelarilor in prisma de balast in jurul traverselor datorita dispersarii particulelor din materialul prismei de balast.

Acest tip de stabilizare a prismei de balast este de asemenea aplicat in zonele de tranzitie dintre calea pe dale si calea pe balast, treceri la nivel, gari, macazuri pentru a preveni miscarea turbionara a materialului din prisma de balast pe liniile de mare viteza, ca metoda generala de stabilizare a balastului, pentru a spori curatenia in statii si de a imbunatatii drenajul in triaje.

8.8 Sisteme de prindere

8.8.1 Introducere

Termenul „sisteme de prindere”,sau pe scurt “prinderi” include toate componentele care impreuna formeaza conexiunea structurala dintre sina si traversa. Exista o mare varietate de prinderi in lume, la care sunt adaugate regulat noi tipuri pentru a tine pasul cu noile cerinte si opinii sau datorita disponibilitatii de noi materiale. Alegerea tipului de prindere depinde mult si de proprietatile si structura traversei.

Functiile generale ale prinderilor si cerintele acestora sunt:

‐ absorbtia elastica a fortelor din sina si transferul acestora catre traversa. Forta verticala de apasare a sinei pe traversa trebuie sa fie suficienta pentru toate situatiile de incarcare, chiar si in caz de uzura, pentru ca sa asigure rezistenta longitudinala necesara pentru a limita deformatiile cauzate de variatiile de temperatura la calea fara joante, pentru a limita fisurile in cazul ruperii sinei si pentru a opune rezistenta fenomenului de fluaj;

‐ amortizarea vibratiilor si impactului cauzat de trafic pe cat posibil;

‐ mentinerea ecartamentul caii si inclinarii sinei cu anumite tolerante;

‐ asigurarea izolarii electrice intre sina si traversa, mai ales in cazul traverselor de beton si otel.

Rezistenta longitudinala dintre sina si traversa trebuie sa fie de cel putin 15 kN, astfel incat sa fie mult mai mare decat rezistenta longitudinala la forfecare a traversei in prisma de balast. Aceasta poate ajunge la 5 kN pentru jumatate de traversa. Prin urmare, in cazul fortelor axiale mari in sina, prinderile raman intact si traversele se deplaseaza in prisma de balast.

In cazul caii fara joante cu prinderi directe pe viaducte, este necesara asigurarea ca forta longitudinala cauzata de diferentele de temperatura, pe care suportul fix al viaductului trebuie sa o preia, sa nu fie prea mare. Aceasta forta longitudinala este cel mult suma fortelor de alunecare pe lungimea viaductului. Prin utilizarea unor placute elastice de nailon speciale, rezistenta longitudinala poate fi redusa.

8.8.2. Clasificarea prinderilor

Prinderile pot fi categorisite astfel:

Pag 23 din 37

‐ prinderile directe impun ca sina, si daca este necesar, si placa suport sa fie fixate de traversa folosind acelasi element de prindere. Prinderile directe includ prinderea caii de structuri fara prisma de balast si traverse;

‐ prinderile indirecte impun ca sina sa fie conectata de o componenta intermediara, ca placa suport, prin folosirea altor elemente de prindere decat cele folosite sa lege componenta intermediara de traversa. Avantajele prinderilor indirecte sunt acelea ca sina poate fi inlaturata fara a trebui desfacute prinderile de pe traversa, iar componenta indermediara poate fi pusa pe traversa in avans.

8.8.3 Placi suport

Sinele pot fi legate de traverse prin utilizarea sau nu a placilor suport din otel. Placile au suprafetele superioare inclinate cu caneluri pe partea superioara care blocheaza sina. Fortele care actioneaza sunt indicate in figura 8.21.

Utilizarea placilor suport are urmatoarele avantaje:

‐ Incarcarea verticala este distribuita pe o suprafata mai mari a traversei. Acest lucru lungeste viata traversei;

‐ Sarcina orizontala este preluata mai bine datorita frecarii si datorita faptului ca este distribuita asupra tuturor prinderilor ancorate in traversa. Placile suport sunt excelente in preluarea unor forte laterale mari daca exista deficiente mari ale suprainaltarii;

‐ momentul de rasturnare provoaca forte mai mici asupra prinderilor de pe traversa;

‐ placile suport au o rigiditate mare la incovoiere iar canelurile asigura locuri bune pentru a ancora sina;

‐ placile suport cresc greutatea traversei. Figura 8.21 Fortele intr‐o placa suport

Dezavantajul este reprezentat de pretul relativ ridicat. Placa suport cu buloane, prezentata in fugura 8.21, reprezinta prinderea indirecta clasica. Tarile in care se vorbeste germana numesc aceasta prindere K. Placa este prinsa de traversele de lemn sau beton utilizand tirfoane. Sina este prinsa cu buloane, clesti rigizi pentru traversa, inele resort si piulite. Buloanele sunt introduse in gaurile din placa folosind un cap de ciocan (pentru a impiedica rotirea). Placuta dintre sina si placa este facuta din

Pag 24 din 37

masonit. Prinderile capata elasticitate verticala de la placuta si de la inelele resort.

Durata de viata a traverselor in combinatie cu placile suport poate fi marita considerabil prin aplicarea de adeziv araldite intre traversa si placa. Experienta NS arata ca viata traversei poata fi dublata sau triplata folosind acest procedeu. Figura 8.22 arata clar diferenta intre traversele tratate si cele netratate, care sunt luate de pe acelasi sector de incercari.

8.8.4 Prinderi elastice

Prin introducerea caii fara joante a rezultat necesitatea unor prinderi cu elasticitate crescuta. Categoric in cazul traverselor de beton, care sunt susceptibile la socuri, aceste lucru este absolut necesar. De la sfarsitul anilor `50, NS a utilizat agrafa DE (Deenik, Eisses). Aceasta componenta se fixeaza atat pe traversele de lemn, cat si cele de beton, dupa cum se arata in figura 8.15. Agrafa DE, care poate fi folosita si cu placi suport, este de obicei fixata intr‐un suport. Suportul agrafei este fixat de traversa cu ajutorul unui bulon care este fixat in traversele de beton, sau care este impins in gauri facute dinainte, in cazul traverselor de lemn. Agrafa DE este instalata folosind echipamente speciale.

Cum nu xista conexiune cu filet, teoretic nu este necesara intretinere sau ajustare. Dar acest principiu asa numit „instaleaza si uita” are un dezavantaj. Daca nu sunt respectate tolerantele de productie sau apare uzura excesiva, nu ai cum sa ajustezi prinderea.

Figura 8.22 Efectul tratamentului cu araldite asupra traversei

Alte exemple de prinderi elastice sunt agrafele standard Pandrol, prezentate in figura 8.23, agrafa elastica Pandrol Fastclip, prezentata in figura 8.24, prinderea Vossloh, in figura 8.25, si agrafa Nabla, prezentata in figura 8.26.

Utilizarea araldite intre suprafata traversei si placa suport

Traversa netratata cu araldite

Pag 25 din 37

Figura 8.23 Sistemul de prindere Pandrol Figura 8.24 Agrafa elastica Pandrol Fastclip

Figura 8.25 Sistemul de prindere Vossloh Figura 8.26 Sistemul de prindere Nabla

Figura 8.27 Caracteristicile resorturilor

Pag 26 din 37

Principiul prinderii elastice impune ca deplasarea resortului sa fie mare; forta de apasare implicand deplasarea elastica considerabila a resortului.

Figura 8.27 arata relatia intre forta si deplasarea resortlui pentru prinderile elastice descrise mai sus si pentru inelul resort folosit in combinatie cu buloane.

Rigiditatea scazuta si deplasarea buna a resortului, in cazul prinderilor elastice, fac forta de apasare asupra caii mai putin vulnerabila la:

‐ miscari elastice in timpul trecerii rotii;

‐ modificari de dimensiune si lipsa acuratatii aferenta in suportul agrafei;

‐ posibila slabire usoara a prinderilor;

‐ uzura.

O limita inferioara a rigiditatii deriva din cerinta ca frecventa naturala a prinderii sa nu fie prea scazuta datorita riscului rezonantei.

8.8.5 Placuta elastica a sinei

Rolul placutei elastice este sa transfere incarcarea sinei catre traversa, tot odata filtrand componentele de frecventa inalta ale fortelor. Placutele moderne variaza considerabil in privinta aspectului (figura 8.28) si proprietatilor materialului.

Teste de aruncare a greutatii asupra placutelor de pluta legate cu cauciuc si placutele din EVA (Lupolen V 3510 K) au fost realizate de Universitatea Tehica din Delft. Tabelul 8.1 arata rezultatele in privinta rigiditatii dinamice si proprietatilor de amortizare.

Aceste valori sunt in concordanta cu valorile gasite de obicei in literatura si se aplica aproximativ pentru o temperatura de 20 o C. La temperaturi mai mici, rigiditatea dinamica creste cu aproximativ 30 kN/mm/oC.

Aceste placute sunt relativ rigide pentru a reduce eficient solicitarile traverselor cauzate de componentele de inalta frecventa generate, de exemplu, de roti.

Sunt utilizate placute din material moale, special proiectate, cu o rigditate de ordinul 100kN/mm sau chiar mai mic, in special daca sunt combinate cu traverse de beton.

Figura 8.28 Tipuri de placute elastice

Pag 27 din 37

Moale Normal Tare EVA

Tip (Fc584) (Fc9) (Fc846)

Rigiditate k [kN/mm] 970 1420 2990 3032

Amortizare c [kNs/m] 32 34 29 29

Tabel 8.1 Rezultate de laborator in urma testelor de aruncare a greutatii asupra catorva tipuri de placute

Pe parcursul acestei carti, placuta elastica a sinei este mentionata datorita aplicatiei specifice si contributiei importante pe care o are asupra comportamentului dinamic al sinei pe structura cu prisma de balast continua si traverse.

8.9 Calea ferata pe structuri cu prisma de balast continua si traverse

Pe poduri mici fixe si viaducte renteaza sa se contiune prisma de balast de deasupra fundatiei adiacente pe structura acestora, pentru a evita discontinuitatile in zona de tranzitie. Desi acest lucru creaza o incarcare statica suplimentara asupra structurii, greutatea trenului este distribuita mai uniform. In plus, metodele obisnuite de realizare si intretinere a caii pe balast pot fi aplicate fara intrerupere. Prisma de balast aplaneaza, de asemenea, deplasarile diferentiate datorate diferentelor de temperatura a sinelor sudate continuu si ale structurii propriu‐zise. In concluzie, prisma de balast are proprietati bune de atenuare a zgomotului si vibratiilor.

Pentru a imbunatati comportamentul structural al caii pe balast, sunt discutate cateva imbunatatiri:

‐ strat de protectie a balastului;

‐ placutele din soffit;

‐ prinderi super‐elastice.

8.9.1 Straturile de protectie a balastului

Interpunerea stratului de protectie intre fundul prismei de balast si tunel, precum este prezentat in figura 8.29, a fost folosita ca metoda anti vibratii. In esenta, pot fi identificate 3 tipuri de straturi de protectie:

‐ straturi de protectii profilate: formate de obicei din una sau mai multe straturi din cauciuc;

‐ straturi de protectie granulare: facute, de exemplu, din cauciucuri uzate, legate cu un elastomer de putere ridicata;

Figura 8.29 Aplicarea straturilor de protectie a balastului

Pag 28 din 37

‐ straturi din spuma: formate din unul sau mai multe straturi de spuma poliuretanica careia i se poate ajusta flexibilitatea prin schimbarea raportului dintre porii deschisi sau ichisi ai celulei.

Partea superioara a stratului de protectie este formata dintr‐un strat tare de protectie ce previne particulele de balast sa penetreze stratul. Grosimea stratului este de aproximativ 3 cm.

Straturile de cauciuc asigura atenuarea prin schimbarea miscarii balastului, si nu ca rezultat al absorbtiei semnificative de energiei in stratul propriu‐zis.

Scopul este acela de a realiza elasticitate, si prin urmare de a genera un efect de masa‐resort care sa cedeze energie. Amortizarea maxima este obtinuta atunci cand straturile de protectie sunt cat se poate de moi.

Tipul stratului de protectie Coeficientul fundatiei [N/mm3] Deflexiunea caii [mm]

Fara strat de protectie ‐ 1,3

Strat de protectie A1 0,030 2,2

Strat de protectie A2 0,025 3,0

Strat de protectie B 0,025 3,5

Tabel 8.2 Deflexiunea statica a caii cu strat de protectie a balast. (preincarcare la 210 kN)

Totusi, daca straturile de protectie sunt prea moi, pot aparea probleme prin cresterea solicitarii sinei si destabilizarea prismei de balast, care necesita burare frecventa. Stratul de protectie a balastului actioneaza de asemenea ca un strat de protectie prevenind deteriorarea suprafetei structurii prin penetrarea particulelor materialului din prisma de balast.

Sub o sarcina pe osie de 25 de tone, deflexiunea cvasi‐statica a cai trebuie sa fie de aproximativ 3 mm la 3 Hz, cu limitarea defexiunii la 4‐5mm sub o incarcare statica. Valori mai ridicate ar produce uzura intensa si oboseala componentelor cai si o deteriorare rapida a geometriei caii.

Tabelul 8.2 arata cateva rezultate ale masurarii defexiunii statice a unei cai preincarcata de o incarcare sarcina pe osie de 210 kN. Doua tipuri de straturi de protectie a balastului si doua grade de rigiditate au fost folosite la test.

Rigiditatea dinamica a straturilor de protectie a balastului depinde de preincarcare, amplitudine si frecventa, dupa cum a fost demonstrat de figura 8.30, care arata relatia aproape liniara dintre rigiditatea dinamica si frecventa.

Figura 8.30 Rigiditatea dinamica a stratului de protectie a balastului

Pag 29 din 37

Masuratori comparative au aratat ca factorul de amplificare al rigiditatii, care este raportul dintre rigiditatea dinamica si statica, este de ordinul 3.

Placuta Soffit

Alta metoda de a atenua vibratiile caii este de a utiliza placute soffit sub traverse. Placuta este amplasata intre traversa si stratul de balast, ca in figura 8.31. Placuta compusa este alcatuita din 22 mm de pluta lipita cu cauciuc, cu fatete tari pentru a preveni deterioarea acesteia de catre particulele materialului din prisma de balast.

Figura 8.31 Placuta soffit pentru traversa

Prinderi super‐elastice

Unele sisteme speciale de prindere pentru placile suport, ca „Oul Cologne”, prezentat in figura 8.32, au fost dezvoltate pentru a avea o rigiditate verticala a resortului foarte redusa in scopul reducerii cu succes a nivelurilor vibratiilor. Dimensiunile modelului gaurilor sunt realizate astfel incat sa poata inlocui usor placile suport. O imbunatatire de 7dB in zona frecventei 31,5‐45 Hz, crescand pana la 18dB intre 63‐80 Hz, poate fi obtinuta comparativ cu calea fara balast. Rigiditatea verticala scazuta limiteaza folosirea acestor sisteme la metrouri cu o sarcina pe osie de 10,5 tone.

Figura 8.32 Sustinerea elastica a sinelor prin folosirea „Oului Cologne”

Pag 30 din 37

8.10 Straturi de ranforsare

Slabirea substratului poate provoca probleme majore, mai ales in combinatie cu vibratiile. Liniile de mare viteza din Japonia si Italia sunt asezate pe un strat asfaltic impermeabil cu grosimea intre 5‐8 cm. In vederea redistribuirii si prin urmare a reducerii solicitarilor in substrat, acest stratul de beton asfaltic poate fi marit pana la 15‐20 cm (vezi figura 8.33). Se pastreaza astfel avantajul intretinerii facile a geometriei caii proprie caii clasice pe balast.

Straturile de asfalt pot oferi avantaje majore constructiei de cai ferate noi, proiectate pentru sarcini pe osie relativ mari si tonaj anual ridicat. In plus, utilizarea straturilor de ranforsare la calea conventionala, proiectata pentru transportul pasagerilor, poate conduce la o reducere semnificativa a frecventei de intretinere a geometriei caii.

Figura 8.33 Strat de ranforsare din beton asfaltic

8.11 Treceri la nivel

Acestea se construiesc cand soseaua traverseaza calea ferata la acelasi nivel. Numai cele mai importante tipuri de treceri, utilizate pe caile principale sunt considerate in continuare.

Placi universale

Figura 8.34 Trecere la nivel cu placi universale usoare

Pag 31 din 37

In plus fata de incarcarea trenului, trecerile la nivel trebuie sa suporte si incarcarea traficului. Daca traficul de pe sosea nu este prea greu, incarcarea este transmisa prin structura standard a caii catre fundatie. Aceasta prezinta avantajul ca nu trebuie utilizata o structura speciala a caii, si pot fi folosite metodele standard de intretinere. In aceste situatii, se prefera de obicei sa se foloseasca treceri la nivel cu placi universale usoare. Exista variante atat pentru traverse de lemn, cat si pentru cele din beton (figura 8.34). Placile groase de 15 cm sunt sustinute elastic de traverse si sunt conectate de suprafata soselei printr‐o bordura. In timpul efectuarii intretinerii caii, placile sunt scoase.

Pentru trafic mediu, structura este alcatuita din placi universale mai grele, cu grosimea de 19 cm.

Pentru trafic greu, structura este prea usoara, fapt care presupune o crestere semnificativa in operatiunile de intretinere. In astfel de situatii este rentabil sa se instaleze structuri mai grele si mai scumpe care necesita mai putina intretinere.

Treceri la nivel tip Harmelen

Structura monolita, prezentata in figura 8.35 a fost dezvoltata de Caile Ferate Olandeze ca sa faca fata traficului mediu si greu. Placile sunt prefabricate. Stratul uzura este dintr‐un material care are suprafata suficient de rugoasa si este rezistenta la solicitarea dinamica din traficul de pe sosea in zona santurilor in care intra rotile trenului.

In timpul instalarii, placa este pozitionata dupa cum este nevoie si spatiul de sub placa este umplut cu un mortar cu intarire rapida care este injectat prin gaurile din placa astfel incat in cateva ore structura este gata pentru a fi folosita. Sinele sunt coborate in santuri captusite cu placute de pluta – cauciuc si umplute cu un compus special de poliuretan. O descriere mai amanuntita a acestui sistem este prezentata in Sectiunea 9.8.

Figura 8.35 Trecere la nivel tip Harmelen

8.12 Calea pentru tramvai

8.12.1 Caracteristicile caii pentru tramvai

Calea pentru tramvai difera considerabil de caile ferate nationale. Caile ferate functioneaza de obicei pe cai deschise, de obicei formate din sine sudate continue inserate in prisma de balast. Singurele locuri

Pag 32 din 37

unde caile ferate se combina cu soselele este in porturi si la trecerile la nivel; in aceste situatii se foloseste un tip modificat al structurii caii (vezi 5.10). Majoritatea retelelor de tramvai sunt formate din structuri pavate, de ex locuri in care tramvaiul si traficul de pe sosea impart acelasi spatiu. In aceasta situatie se folosesc sinele cu fagas, pentru a fi asigurat ca rotile tramvaiului au suficient spatiu in suprafata carosabila. Acest lucru este valabil si pentru sisteme usoare de transport pe sine (in fapt un sistem de tramvai imbunatatit).

Se pot diferentia trei tipuri:

‐ Cale exclusiv pentru tramvai

Aceasta cale pavat sau „deschisa” este formata din traverse de beton asezate pe prisma de balast sau care poate avea deasupra plantata iarba. Vehiculele rutiere nu pot utiliza aceasta linie.

Figura 8.36 Exemplu de cale exclusiv pentru de tramvai: cale pe balast. Tramlink, Londra

Figura 8.37 Exemplu de cale exclusiv pentru tramvai: cale cu iarba. HTM, Haga

‐Cale libera pentru tramvai

Acest tip de cale este construita ca si cale „inchisa”, ceea ce inseamna ca doar anumite tipuri de vehicule rutiere precum autobuzele (transport public), servicii publice si cateodata taxiurile au permisiunea sa o foloseasca.

Pag 33 din 37

Figura 8.38: Exemplu de cale libera pentru tramvai situata in mijlocul strazii, HTM, Haga.

Figura 8.39: Exemplu de cale normala pentru tramvai. Tramlink, Londra

‐ Calea normala pentru tramvai

Tramvaiele si vehiculele rutiere folosesc aceeasi suprafata de trafic. Aceasta este intotdeauna o structura inchisa. In cazul tramvaiului, viteza si sarcina pe osie sunt mult mai mici comparative cu caile ferate. Sistemul usor de transport pe sine este numele dat unui sistem situat intre caile ferate normale si tramvaie. O putem vedea ca un sistem de tramvai imbunatatit. Tramvaiele au o viteza medie de 20 km/h, in timp ce sistemele usoare de transport pe sine din zonele urbane tintesc catre o viteza medie de 25‐35 km/h sau chiar mai mare.

Geometria caii pentru tramvai si sistem usor de transport pe sine difera de sistemul normal de cale ferata: curbele vor avea raze mult mai mici, facand posibil ca tramvaiul/ LRV (Light Rail vehicle) sa fie integrat in infrastructura existenta a orasului.

Pentru tramvaie, se foloseste o raza minima de 25 de metri pentru liniile in exploatarea, in timp ce curbe si mai stramte sunt posibile in zona depourilor. Desigur, raza minima absoluta a curbei depinde de constructia vehiculului, in special cele articulate. Pentru LRV, viteza este un aspect important si prin urmare curbele trebuiesc sa fie cat se poate de largi. Cand situatia locala nu permite construirea curbelor largi, caracteristicile tehnice ale vehiculului vor fi decisive.

In cazul racordarilor verticale, constructia vehiculului este de asemenea decisiva pentru razele minime. Dar pasagerii doresc confort si de acest lucru ar trebui sa se tina cont la proiectarea liniei. Acceleratia maxima pentru pasageri trebuie determinata, si in functie de viteza vehiculului, raza minima poate fi calculata. Pentru tramvaie, o racordare verticala cu raza de 250 m este foarte scazuta, dar in majoritatea cazurilor, tehnic posibila, totusi indicat este sa se tinda catre o raza de 1000‐2000 de metri minim.

In locul folosirii sistemului de tramvai, multe companii schimba cu folosirea LRV. Avantajele sunt reprezentate de viteze medii mai mari, pentru care este necesara mai multa cale libera, sau chiar mai bine, mai multa linie exclusiva. Capacitatea LRV este mai mare, ca si viteza maxima. Cand calea este

Pag 34 din 37

100% exclusiva si nu exista posibilitatea ca pietonii sa aibe acces pe linie, este posibil ca sistemul sa fie complet automat (ex: Docklands, Londra).

Figura 8.40 Curbele in plan orizontal trebuie sa aiba o raza cat mai mare, dar sa se potriveasca infrastructurii orasului. HTM, Haga

Figura 8.41 Vedere a caii din „cabina” LRV din Docklands, Londra.

8.12.2 Exemple de cale pavata pentru tramvai

Figura 8.42 prezinta o constructie frecvent utilizata. Structura de sustinere a liniei este constituita dintr‐o placa continua groasa de 30 cm. Sinele cu fagas sunt prinse de placi sintetice cu o placuta elastica intre acestea. Sunt folosite agrafe Vossloh.

Din cauza profilului asimetric al sinelor cu fagas, variatii considerabile ale geometriei pot aparea in timpul procesului laminare a sinei. Astfel, pentru a obtine un ecartament exact, pozitia laterala a sinelor poate fi ajustata prin introducerea de pene.

Pavajul soselei poate fi ales fara constrangeri si este independent de structura de sustinere.

Figura 8.42: Cale pavata: Sina cu fagas Ri60 pe o placa sintetica.

Inainte de turnarea statului superior de beton, sina este acoperita cu un invelis elastic. Prinderile sunt distantate la 100 cm si sunt echipate cu un capac de plastic pentru a da posibilitatea desfacerii acestora la inlocuirea sinei. Spatiul dintre varful sinei si pavajul adiacent este umplut cu un produs bituminos, numit umplutura a rostului

Pag 35 din 37

Figura 8.43 prezinta construirea caii in plina desfasurare. Se pot observa clar placile sintetice cu agrafele Vossloh deja montate, dar momentan netensionate.

O solutie tehnica remarcabila dar scumpa este principiul sinei incastrate, prezentat in figura 8.44. Sina este prinsa cu acuratete intr‐un jgheab de otel sau beton dupa care o mixtura elastica este turnata in acesta. Aceasta metoda asigura separarea perfecta dintre sina si pavaj. Procedeul de constructie trebuie desfasurat cu mare acuratete si necesita tratamentul special al suprafetelor. Reducerea vibratiilor si zgomotului este considerabila.

Aceasta structura se presupune a fi lipsita de intretinere. Acest principiu de constructie este de asemenea folosit la trecerile la nivel de tip Harmelen in Olanda. In plus, principiul sinei incastrate este considerat un candidat puternic pentru liniile de tramvai de mare viteza (figura 9.46).

Figura 8.44 Cale pavata: sina incastrata

Ultimul exemplu este asa numita structura Nikex (figura 8.45). In acest caz o sina bloc de forma specifica este inserata in santul in forma de coada de randunica din placa de beton. Sina este sustinuta de o banda de cauciuc cu santuri si este sustinuta de alte benzi de cauciuc, care sunt introduse sub presiune. In Olanda, exista cai de test ale retelei de tramvai HTM (Haga) si

Figura 8.43 Cale pavata: constructie cale in desfasurare

Figura 8.45 Cale pavata: Sina bloc in placa de beton pretensionata

Pag 36 din 37

RET (Rotterdam). Dupa ceva probleme initiale, ajung sa se comporte foarte bine. Tranzitia dintre liniile Nikex si cele traditionale trebuie proiectata cu atentie pentru a evita sarcinile de soc cauzate de diferentele de rigiditate.

8.13 Cai pentru macarale

Domeniul tehnic „structuri ale caii pentru macarale” poate fi considerat o aplicare speciala a ingineriei cailor ferate. De obicei, acest domeniu se gaseste intre disciplinele de inginerie mecanica si inginerie civila deoarece fiecare cale pentru o macara este strans legata de tipul macaralei care va utiliza calea.

Vor fi folosite urmatoarele definitii: caile pentru macarale sunt cai ferate pe care circula macarale si tot felul de masini de transport incarcaturi, cu sarcina pe roata de 200‐1000 kN si viteze pana la 150m/min. Caile pentru macarale pot fi partial sau integral ingropate in structura de sustinere, formata din traverse de lemn, grinzi grele in forma de I, sau fundatii de beton.

Pentru a suporta incarcarile verticale mari, capul sinei si bandajul rotii sunt construite cilindric si se foloseste otel de calitate 700 N/mm2 cu adaos de vanadiu. Un asemenea exemplu este dat in figura 8.46.

Contrar vehiculelor pe sine, bandajul rotilor macaralelor are buze pe ambele parti. „Latimea caii” poate fi de zeci de metri. Incarcarile orizontale ar trebui de asemenea considerate deoarece cateodata ajung la 25% din incarcarea verticala pe roata.

Tolerantele pentru macaralele in exploatare sunt foarte importante, si sunt descrise, de exemplu, in standardul olandez NEN 2017. Este interesant de notat ca o macara mai flexibila poate urmari mai usor deformatiile aparute in sina decat o macara proiectata rigid.

In final, figura 8.47 arata o sina de macara la Terminalul de Containere Europene din Rotterdam. Incarcarea pe roata in acest caz este de 600 kN, sina avand masa de 125 kg/m.

Figura 8.46 Cale continua pentru macarale destinata utilizarii intensive; Placa de beton cu sina de 127 kg/m.

Pag 37 din 37

Figura 8.47 Sina pentru macara la ECT