Las toperas son estructuras de hormigón diseñadas para detener un tren en caso de emergencia. Para calcular una topera, primero se estima la fuerza de impacto basada en la masa y velocidad del tren y la capacidad de los amortiguadores hidráulicos. Luego, se dimensiona la estructura para cumplir con los coeficientes de seguridad contra deslizamiento y vuelco. Finalmente, se arma la topera con una malla de bielas y tirantes para reforzar la región sujeta a mayor tensión.

1. Toperas: las estructuras parar un
tren
16 noviembre, 2016 Cimentaciones, Estructuras
curiosas, Geotecnia, Hormigón 6 Comments
Hace poco me he visto en vuelto en el cálculo de una de las estructuras mas curiosas
de las que han pasado por mis manos en un buen tiempo. Se trata del cálculo de
unas “toperas”, las estructuras encargadas de parar el tren cuando todo falla. Cosa
que pasa más a menudo de lo que nos creemos:
Accidente en Salamanca en el 2009. Tren sobrepasa la topera.
En este post os explico cómo calcular la Fuerza de Impacto a tener en cuenta en
el cálculo de una topera, qué comprobaciones hay que realizar al cuerpo de la
topera y cómo plantear el cálculo del armado si se pretende hacerla de
hormigón.
Básicamente una topera debe resistir una sola clase de acción, la de impacto de un
tren cuando algo falla. Podríamos decir que se trata de una situación accidental.
Pero, ¿cómo estimar esa fuerza de impacto?
El factor mas importante en la estimación de la fuerza de impacto es, obviamente, la
masa del tren que circula y su velocidad. Pero por otro lado, también es importante
conocer el sistema hidráulico dispuesto en la topera para disipar la energía de
impacto.

2. Topes hidráulicos instalados en una locomotora. Del mismo tipo se instalan también en las toperas.
Autor foto: Antonio Tajuelo
Estos dispositivos hidráulicos son capaces de disipar energía en función de su
tamaño y su carrera (recorrido del tope dentro de su cilindro) disminuyendo la fuerza
de impacto finalmente transmitida a la topera.
Para estimar la fuerza de impacto, primeramente hay que estimar la energía cinética
que tiene el tren que va a impactar:
Donde M es la masa del tren y V es su velocidad en el momento de impacto.
Para que os hagáis una idea, os dejo una lista de trenes que circulan por España con
sus masas:

3. La fuerza de impacto para nuestra topera debida a esta energía cinética viene dado
entonces por la expresión:
Donde S es el recorrido del tope hidráulico y ξ es el factor de eficacia de tope
hidráulico que depende del fabricante pero que suele rondar el valor de 0,8.
A esta fuerza de impacto habría que sumarle la fuerza motriz Fd del motor del tren si
en el momento del impacto este se encuentra acelerando.
Como podéis observar, hay cierta capacidad de mitigar la fuerza de impacto a costa
de asumir un mayor recorrido en nuestro tope hidráulico. En verdad, las casas de
topes hidráulicos ofrecen distintos topes con cargas máximas y con distintos
recorridos. Pero llega un momento que el máximo tope que se fabrica es capaz de
transmitir una fuerza máxima (rondando los 700 KN) y solo aumentando el recorrido
mitigan el exceso de energía. Con esta fuerza máxima por tope podemos llegar a
asumir impactos de hasta 1400 KN (dos topes con 700 KN cada uno).
Una vez obtenido esta fuerza de impacto el paso siguiente es calcular las
dimensiones de la topera para que cumpla con los Coeficientes de Seguridad al
Deslizamiento y al Vuelco. Se trata, como hacemos en los muros, de considerar todas
las fuerzas y momentos actuantes tanto desestabilizadoras como estabilizadoras y ver
su relación:

4. Con:
Fi= fuerza total te impacto
W= peso de la topera
Weje = peso del eje del tren si este pisa la zapata de la topera
Froz= Fuerza de rozamiento debido a todas las masas que gravitas (W+Weje)
Ep = empuje pasivo del terreno tras la topera.
El valor de los coeficientes de seguridad ante el deslizamiento y al vuelco podrían ser
1,10 y 1,50 respectivamente si hacemos caso a los coeficientes de seguridad
propuestos según la “Guía de Cimentaciones para Obras de Carretara” para
cimentaciones superficiales en situación accidental:
Finalmente, una vez obtenidas las dimensiones del macizo de la topera que cumplen
con dichos coeficientes de seguridad, hay que armar la topera. Para eso es necesario
diseñar un modelo de bielas y tirantes, ya que tenemos una región D, que
dependerá mucho de la forma de vuestra topera pero que más o menos tendrá la
pinta siguiente:

5. El estudio de las toperas tiene mucho tiempo, casi el mismo que el propio ferrocarril:
22 de octubre de 1895 en la estación parisina de Montparnasse donde un tren sobrepasó la topera,
cruzó por la cristalera y cayó a la calle desde una altura de unos 10 metros.
Por eso, ADIF (Administrador De Infraestructuras de Ferrocarriles en España) tiene ya
prefijados varios modelos de toperas de las que os dejo unas imágenes para que os
hagáis una idea de las dimensiones y armado:

6. – Topera para cargas medias:

7. – Topera para altas prestaciones:

8. Espero que os haya resultado interesante.
Fuente:
• Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera. Ministerio de Fomento
• Fichas técnicas ADIF