Measuring dynamic effects on underpasses of high-speed railway lines

Underpasses are common in modern railway lines. Wildlife corridors and drainage conduits often fall into this category of partially buried structures. Their dynamic behaviour has received far less attention than that of other structures such as bridges, but their large number makes their study an interesting challenge in order to achieve safe and cost-effective structures. As ballast operations are a key life cycle cost, and excessive vibrations increase the need of ballast regulation in order to ensure track geometry, special attention is paid to accelerations, the values of which should be limited to avoid track instability according to Eurocode. In this paper, the data obtained during on site measurements on culverts belonging to a Spanish high-speed train line are presented. A set of six rectangular-shaped, closed-frame underpasses were monitored under traffic loading. Acceleration records at different points of the structures are presented and discussed. They reveal a non-uniform dynamic response of the roof-slab, with the highest observed values below the occupied track. Also, they indicate that the dynamic response is important up to frequencies higher than those usually observed for standard simply supported bridges. Finally, they are used to obtain a heuristic rule to estimate acceleration levels on the roof-slab.

Alta velocidad ferroviaria en California(USA): quinta parte (V) LAV San Francisco–Sacramento (Bay Crossing Alternative) = High speed railway in California (USA): fith part (V) HSRL San Francisco–Sacramento (Bay Crossing Alternative)

Implantación de la Red de Alta velocidad Ferroviaria en California. Tramo San Francisco-Sacramento. Este artículo de la serie “Alta velocidad Ferroviaria en California (CHSRS), se ocupa de la línea San Francisco– Sacramento “Bay Crossing Alternative”, que cierra la red de alta velocidad ferroviaria del Estado de California, permitiendo en la terminal HSR de Sacramento, conectar con la línea Fresno–Sacramento, en coincidencia de trazados para en el futuro prolongar la red californiana de alta velocidad ferroviaria hasta su entronque con la del Estado de Nevada, vía Tahoe Lake–Reno. La línea San Francisco–Sacramento “Bay Crossing Alternative”, consta de tres trayectos: El primero de ellos “San Francisco urbano” va desde la terminal HSR “San Francisco Airport”, donde termina la alternativa “Golden Gate” de la línea Fresno–San Francisco, hasta el viaducto de acceso al Paso de la Bahía, que constituye el segundo trayecto “San Francisco–Richmond”, trayecto estrella de la red, de 15,48 Km de longitud sobre la Bahía de San Francisco, con desarrollo a través de 11,28 Km en puente colgante múltiple, con vanos de 800 m de luz y 67 m de altura libre bajo el tablero que permite la navegación en la Bahía. El tercer trayecto “Richmond–Sacramento” cruza la Bahía de San Pablo con un puente colgante de 1,6 Km de longitud y tipología similar a los múltiples de la Bahía de San Francisco, pasa por Vallejo (la por plazo breve de tiempo, antigua capital del Estado de California) y por la universitaria Davis, antes de finalmente llegar a la HSR Terminal Station de Sacramento Roseville. This article of the series “California High Speed Railway System”(CHSRS) treats on Line San Francisco–Sacramento “Bay Crossing Alternative” (BCA). This line closes the system of California high speed state railway, and connects with the line Fresno–Sacramento “Stockton Arch Alternative”, joining its alignments in the HSR Terminal of Sacramento Roseville. From this station it will be possible, in the future, to extend the Californian railway system till the Nevada railway system, vía Tahoe Lake and Reno. The BCA consists of three sections: The first one passing through San Francisco city, goes from HSR San Francisco Airport Terminal Station (where the line Fresno–San Francisco “Golden Gate Alternative” ends), up to the Viaduct access at the Bay Crossing. The second section San Francisco–Richmond, constitutes the star section of the system, with 15,48 Km length on the San Francisco Bay, where 11,28 Km in multi suspension bridge, 800 m span and 67 m gauge under panel, to allow navigation through the Bay. The third section Richmond–Sacramento crosses the San Pablo Bay through another suspension bridge of similar typology to that of San Francisco Bay crossing; pass through Vallejo (the ancient and for a short time Head of the State of California) and through Davis, university city, to arrive to the HSR Terminal Station of Sacramento Roseville.

Alta velocidad ferroviaria en California(USA): tercera parte (III) Fresno-Los Ángeles-San Diego = High speed railway in California(USA): third part (III) Fresno-Los Ángeles-San Diego

Implantación de la Red de Alta velocidad Ferroviaria en California. Tramo Fresno-Los Angeles-San Diego. Este artículo, tercera parte de la serie que describe la red de Alta Velocidad Ferroviaria de California (CHSRS), se ocupa de la línea Fresno-Los Angeles Airport-San Diego Airport, con el trazado propuesto en la Alternativa Missions Trail del Proyecto FARWEST, caracterizada por el paso directo de las montañas de Tehachapi, mediante dos grandes túneles de 27,5 Km (17 mile) y 25,6 Km (15,9 mile) de longitud. También por el emplazamiento de la estación terminal de Los Angeles, junto al Aeropuerto Internacional de Los Angeles y la sustitución de la circunvalación ferroviaria de la aglomeración urbana de Los Angeles, a través de Inland Empire, por el ramal Anaheim-Riverside, que da acceso a esa región, y que es cabecera de la futura Dessert Express a Las Vegas. The third of a series describing the California High Speed Railway (CHSRS), this article refers to the Fresno-Los Angeles Airport-San Diego Airport line, with the alignment as proposed in the Missions Trail Alternative of the FARWEST Project, characterized by the direct Tehachapi mountain pass through two large tunnels 27.5 Km (17 miles) and 25.6 Km (15.9 miles) long and also to the siting of the Los Angeles terminal station next to the Los Angeles International Airport and the replacement of the Los Angeles urban conglomeration railway by-pass through Inland Empire, by the Anaheim-Riverside branch providing access to that region and which is the head of the future Desert Express to Las Vegas.

High Efficiency Envelope Amplifier based on a Ripple Cancellation Buck Converter. Design, Optimization and Integration in an EER RFPA

Durante los últimos años la tendencia en el sector de las telecomunicaciones ha sido un aumento y diversificación en la transmisión de voz, video y fundamentalmente de datos. Para conseguir alcanzar las tasas de transmisión requeridas, los nuevos estándares de comunicaciones requieren un mayor ancho de banda y tienen un mayor factor de pico, lo cual influye en el bajo rendimiento del amplificador de radiofrecuencia (RFPA). Otro factor que ha influido en el bajo rendimiento es el diseño del amplificador de radiofrecuencia. Tradicionalmente se han utilizado amplificadores lineales por su buen funcionamiento. Sin embargo, debido al elevado factor de pico de las señales transmitidas, el rendimiento de este tipo de amplificadores es bajo. El bajo rendimiento del sistema conlleva desventajas adicionales como el aumento del coste y del tamaño del sistema de refrigeración, como en el caso de una estación base, o como la reducción del tiempo de uso y un mayor calentamiento del equipo para sistemas portátiles alimentados con baterías. Debido a estos factores, se han desarrollado durante las últimas décadas varias soluciones para aumentar el rendimiento del RFPA como la técnica de Outphasing, combinadores de potencia o la técnica de Doherty. Estas soluciones mejoran las prestaciones del RFPA y en algún caso han sido ampliamente utilizados comercialmente como la técnica de Doherty, que alcanza rendimientos hasta del 50% para el sistema completo para anchos de banda de hasta 20MHz. Pese a las mejoras obtenidas con estas soluciones, los mayores rendimientos del sistema se obtienen para soluciones basadas en la modulación de la tensión de alimentación del amplificador de potencia como “Envelope Tracking” o “EER”. La técnica de seguimiento de envolvente o “Envelope Tracking” está basada en la modulación de la tensión de alimentación de un amplificador lineal de potencia para obtener una mejora en el rendimiento en el sistema comparado a una solución con una tensión de alimentación constante. Para la implementación de esta técnica se necesita una etapa adicional, el amplificador de envolvente, que añade complejidad al amplificador de radiofrecuencia. En un amplificador diseñado con esta técnica, se aumentan las pérdidas debido a la etapa adicional que supone el amplificador de envolvente pero a su vez disminuyen las pérdidas en el amplificador de potencia. Si el diseño se optimiza adecuadamente, puede conseguirse un aumento global en el rendimiento del sistema superior al conseguido con las técnicas mencionadas anteriormente. Esta técnica presenta ventajas en el diseño del amplificador de envolvente, ya que el ancho de banda requerido puede ser menor que el ancho de banda de la señal de envolvente si se optimiza adecuadamente el diseño. Adicionalmente, debido a que la sincronización entre la señal de envolvente y de fase no tiene que ser perfecta, el proceso de integración conlleva ciertas ventajas respecto a otras técnicas como EER. La técnica de eliminación y restauración de envolvente, llamada EER o técnica de Kahn está basada en modulación simultánea de la envolvente y la fase de la señal usando un amplificador de potencia conmutado, no lineal y que permite obtener un elevado rendimiento. Esta solución fue propuesta en el año 1952, pero no ha sido implementada con éxito durante muchos años debido a los exigentes requerimientos en cuanto a la sincronización entre fase y envolvente, a las técnicas de control y de corrección de los errores y no linealidades de cada una de las etapas así como de los equipos para poder implementar estas técnicas, que tienen unos requerimientos exigentes en capacidad de cálculo y procesamiento. Dentro del diseño de un RFPA, el amplificador de envolvente tiene una gran importancia debido a su influencia en el rendimiento y ancho de banda del sistema completo. Adicionalmente, la linealidad y la calidad de la señal de transmitida deben ser elevados para poder cumplir con los diferentes estándares de telecomunicaciones. Esta tesis se centra en el amplificador de envolvente y el objetivo principal es el desarrollo de soluciones que permitan el aumento del rendimiento total del sistema a la vez que satisfagan los requerimientos de ancho de banda, calidad de la señal transmitida y de linealidad. Debido al elevado rendimiento que potencialmente puede alcanzarse con la técnica de EER, esta técnica ha sido objeto de análisis y en el estado del arte pueden encontrarse numerosas referencias que analizan el diseño y proponen diversas implementaciones. En una clasificación de alto nivel, podemos agrupar las soluciones propuestas del amplificador de envolvente según estén compuestas de una o múltiples etapas. Las soluciones para el amplificador de envolvente en una configuración multietapa se basan en la combinación de un convertidor conmutado, de elevado rendimiento con un regulador lineal, de alto ancho de banda, en una combinación serie o paralelo. Estas soluciones, debido a la combinación de las características de ambas etapas, proporcionan un buen compromiso entre rendimiento y buen funcionamiento del amplificador de RF. Por otro lado, la complejidad del sistema aumenta debido al mayor número de componentes y de señales de control necesarias y el aumento de rendimiento que se consigue con estas soluciones es limitado. Una configuración en una etapa tiene las ventajas de una mayor simplicidad, pero debido al elevado ancho de banda necesario, la frecuencia de conmutación debe aumentarse en gran medida. Esto implicará un bajo rendimiento y un peor funcionamiento del amplificador de envolvente. En el estado del arte pueden encontrarse diversas soluciones para un amplificador de envolvente en una etapa, como aumentar la frecuencia de conmutación y realizar la implementación en un circuito integrado, que tendrá mejor funcionamiento a altas frecuencias o utilizar técnicas topológicas y/o filtros de orden elevado, que permiten una reducción de la frecuencia de conmutación. En esta tesis se propone de manera original el uso de la técnica de cancelación de rizado, aplicado al convertidor reductor síncrono, para reducir la frecuencia de conmutación comparado con diseño equivalente del convertidor reductor convencional. Adicionalmente se han desarrollado dos variantes topológicas basadas en esta solución para aumentar la robustez y las prestaciones de la misma. Otro punto de interés en el diseño de un RFPA es la dificultad de poder estimar la influencia de los parámetros de diseño del amplificador de envolvente en el amplificador final integrado. En esta tesis se ha abordado este problema y se ha desarrollado una herramienta de diseño que permite obtener las principales figuras de mérito del amplificador integrado para la técnica de EER a partir del diseño del amplificador de envolvente. Mediante el uso de esta herramienta pueden validarse el efecto del ancho de banda, el rizado de tensión de salida o las no linealidades del diseño del amplificador de envolvente para varias modulaciones digitales. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: La aplicación de la técnica de cancelación de rizado a un convertidor reductor síncrono para un amplificador de envolvente de alto rendimiento para un RFPA linealizado mediante la técnica de EER. Una reducción del 66% en la frecuencia de conmutación, comparado con el reductor convencional equivalente. Esta reducción se ha validado experimentalmente obteniéndose una mejora en el rendimiento de entre el 12.4% y el 16% para las especificaciones de este trabajo. La topología y el diseño del convertidor reductor con dos redes de cancelación de rizado en cascada para mejorar el funcionamiento y robustez de la solución con una red de cancelación. La combinación de un convertidor redactor multifase con la técnica de cancelación de rizado para obtener una topología que proporciona una reducción del cociente entre frecuencia de conmutación y ancho de banda de la señal. El proceso de optimización del control del amplificador de envolvente en lazo cerrado para mejorar el funcionamiento respecto a la solución en lazo abierto del convertidor reductor con red de cancelación de rizado. Una herramienta de simulación para optimizar el proceso de diseño del amplificador de envolvente mediante la estimación de las figuras de mérito del RFPA, implementado mediante EER, basada en el diseño del amplificador de envolvente. La integración y caracterización del amplificador de envolvente basado en un convertidor reductor con red de cancelación de rizado en el transmisor de radiofrecuencia completo consiguiendo un elevado rendimiento, entre 57% y 70.6% para potencias de salida de 14.4W y 40.7W respectivamente. Esta tesis se divide en seis capítulos. El primer capítulo aborda la introducción enfocada en la aplicación, los amplificadores de potencia de radiofrecuencia, así como los principales problemas, retos y soluciones existentes. En el capítulo dos se desarrolla el estado del arte de amplificadores de potencia de RF, describiéndose las principales técnicas de diseño, las causas de no linealidad y las técnicas de optimización. El capítulo tres está centrado en las soluciones propuestas para el amplificador de envolvente. El modo de control se ha abordado en este capítulo y se ha presentado una optimización del diseño en lazo cerrado para el convertidor reductor convencional y para el convertidor reductor con red de cancelación de rizado. El capítulo cuatro se centra en el proceso de diseño del amplificador de envolvente. Se ha desarrollado una herramienta de diseño para evaluar la influencia del amplificador de envolvente en las figuras de mérito del RFPA. En el capítulo cinco se presenta el proceso de integración realizado y las pruebas realizadas para las diversas modulaciones, así como la completa caracterización y análisis del amplificador de RF. El capítulo seis describe las principales conclusiones de la tesis y las líneas futuras. ABSTRACT The trend in the telecommunications sector during the last years follow a high increase in the transmission rate of voice, video and mainly in data. To achieve the required levels of data rates, the new modulation standards demand higher bandwidths and have a higher peak to average power ratio (PAPR). These specifications have a direct impact in the low efficiency of the RFPA. An additional factor for the low efficiency of the RFPA is in the power amplifier design. Traditionally, linear classes have been used for the implementation of the power amplifier as they comply with the technical requirements. However, they have a low efficiency, especially in the operating range of signals with a high PAPR. The low efficiency of the transmitter has additional disadvantages as an increase in the cost and size as the cooling system needs to be increased for a base station and a temperature increase and a lower use time for portable devices. Several solutions have been proposed in the state of the art to improve the efficiency of the transmitter as Outphasing, power combiners or Doherty technique. However, the highest potential of efficiency improvement can be obtained using a modulated power supply for the power amplifier, as in the Envelope Tracking and EER techniques. The Envelope Tracking technique is based on the modulation of the power supply of a linear power amplifier to improve the overall efficiency compared to a fixed voltage supply. In the implementation of this technique an additional stage is needed, the envelope amplifier, that will increase the complexity of the RFPA. However, the efficiency of the linear power amplifier will increase and, if designed properly, the RFPA efficiency will be improved. The advantages of this technique are that the envelope amplifier design does not require such a high bandwidth as the envelope signal and that in the integration process a perfect synchronization between envelope and phase is not required. The Envelope Elimination and Restoration (EER) technique, known also as Kahn’s technique, is based on the simultaneous modulation of envelope and phase using a high efficiency switched power amplifier. This solution has the highest potential in terms of the efficiency improvement but also has the most challenging specifications. This solution, proposed in 1952, has not been successfully implemented until the last two decades due to the high demanding requirements for each of the stages as well as for the highly demanding processing and computation capabilities needed. At the system level, a very precise synchronization is required between the envelope and phase paths to avoid a linearity decrease of the system. Several techniques are used to compensate the non-linear effects in amplitude and phase and to improve the rejection of the out of band noise as predistortion, feedback and feed-forward. In order to obtain a high bandwidth and efficient RFPA using either ET or EER, the envelope amplifier stage will have a critical importance. The requirements for this stage are very demanding in terms of bandwidth, linearity and quality of the transmitted signal. Additionally the efficiency should be as high as possible, as the envelope amplifier has a direct impact in the efficiency of the overall system. This thesis is focused on the envelope amplifier stage and the main objective will be the development of high efficiency envelope amplifier solutions that comply with the requirements of the RFPA application. The design and optimization of an envelope amplifier for a RFPA application is a highly referenced research topic, and many solutions that address the envelope amplifier and the RFPA design and optimization can be found in the state of the art. From a high level classification, multiple and single stage envelope amplifiers can be identified. Envelope amplifiers for EER based on multiple stage architecture combine a linear assisted stage and a switched-mode stage, either in a series or parallel configuration, to achieve a very high performance RFPA. However, the complexity of the system increases and the efficiency improvement is limited. A single-stage envelope amplifier has the advantage of a lower complexity but in order to achieve the required bandwidth the switching frequency has to be highly increased, and therefore the performance and the efficiency are degraded. Several techniques are used to overcome this limitation, as the design of integrated circuits that are capable of switching at very high rates or the use of topological solutions, high order filters or a combination of both to reduce the switching frequency requirements. In this thesis it is originally proposed the use of the ripple cancellation technique, applied to a synchronous buck converter, to reduce the switching frequency requirements compared to a conventional buck converter for an envelope amplifier application. Three original proposals for the envelope amplifier stage, based on the ripple cancellation technique, are presented and one of the solutions has been experimentally validated and integrated in the complete amplifier, showing a high total efficiency increase compared to other solutions of the state of the art. Additionally, the proposed envelope amplifier has been integrated in the complete RFPA achieving a high total efficiency. The design process optimization has also been analyzed in this thesis. Due to the different figures of merit between the envelope amplifier and the complete RFPA it is very difficult to obtain an optimized design for the envelope amplifier. To reduce the design uncertainties, a design tool has been developed to provide an estimation of the RFPA figures of merit based on the design of the envelope amplifier. The main contributions of this thesis are: The application of the ripple cancellation technique to a synchronous buck converter for an envelope amplifier application to achieve a high efficiency and high bandwidth EER RFPA. A 66% reduction of the switching frequency, validated experimentally, compared to the equivalent conventional buck converter. This reduction has been reflected in an improvement in the efficiency between 12.4% and 16%, validated for the specifications of this work. The synchronous buck converter with two cascaded ripple cancellation networks (RCNs) topology and design to improve the robustness and the performance of the envelope amplifier. The combination of a phase-shifted multi-phase buck converter with the ripple cancellation technique to improve the envelope amplifier switching frequency to signal bandwidth ratio. The optimization of the control loop of an envelope amplifier to improve the performance of the open loop design for the conventional and ripple cancellation buck converter. A simulation tool to optimize the envelope amplifier design process. Using the envelope amplifier design as the input data, the main figures of merit of the complete RFPA for an EER application are obtained for several digital modulations. The successful integration of the envelope amplifier based on a RCN buck converter in the complete RFPA obtaining a high efficiency integrated amplifier. The efficiency obtained is between 57% and 70.6% for an output power of 14.4W and 40.7W respectively. The main figures of merit for the different modulations have been characterized and analyzed. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 is provided an introduction of the RFPA application, where the main problems, challenges and solutions are described. In Chapter 2 the technical background for radiofrequency power amplifiers (RF) is presented. The main techniques to implement an RFPA are described and analyzed. The state of the art techniques to improve performance of the RFPA are identified as well as the main sources of no-linearities for the RFPA. Chapter 3 is focused on the envelope amplifier stage. The three different solutions proposed originally in this thesis for the envelope amplifier are presented and analyzed. The control stage design is analyzed and an optimization is proposed both for the conventional and the RCN buck converter. Chapter 4 is focused in the design and optimization process of the envelope amplifier and a design tool to evaluate the envelope amplifier design impact in the RFPA is presented. Chapter 5 shows the integration process of the complete amplifier. Chapter 6 addresses the main conclusions of the thesis and the future work.

Railway Rapid Transit timetables with variable and elastic demand.

This paper focuses on the design of railway timetables considering a variable elastic demand profile along a whole design day. Timetabling is the third stage in the classical hierarchical railway planning process. Most of previous works on this topic consider a uniform demand behavior for short planning intervals. In this paper, we propose a MINLP model for designing non-periodic timetables on a railway corridor where demand is dependent on waiting times. In the elastic demand case, long waiting times lead to a loss of passengers, who may select an alternative transportation mode. The mode choice is modeled using two alternative methods. The first one is based on a sigmoid function and can be used in case of absence of information for competitor modes. In the second one, the mode choice probability is obtained using a Logit model that explicitly considers the existence of a main alternative mode. With the purpose of obtaining optimal departure times, in both cases, a minimization of the loss of passengers is used as objective function. Finally, as illustration, the timetabling MINLP model with both mode choice methods is applied to a real case and computational results are shown.

Proyecto de construcción de un túnel por el sistema "Cut and cover" para el acceso ferroviario del cercanías a Marbella

El proyecto describe el diseño de un túnel ferroviario en la zona sur de España, entre las localidades de Fuengirola y Marbella en la provincia de Málaga. La ejecución de las obras incluidas en este proyecto permitirá conectar mediante una nueva línea ferroviaria dicha Estación con la población de Marbella y en un futuro con más poblaciones del Corredor Ferroviario de la Costa del Sol que en este momento no cuenta con ninguna conexión ferroviaria. En la geometría se concreta la sección del túnel que se va a ejecutar. Se utiliza como referencia el estudio geológico y geotécnico con el fin de caracterizar los materiales que se van a encontrar en la excavación del túnel. Una vez concluida esta fase se determinan los sostenimientos de acuerdo con las clasificaciones geomecánicas. Realizando el tramo elegido por el Método “Cut and Cover”, y siendo objeto de este proyecto todo el proceso constructivo del mismo así como otras obras complementarias que se tendrán que llevar a cabo debido al paso de dicho túnel por zonas transitadas o habitadas actualmente. Abstract Project describes the design of a high speed railway tunnel in the sur of Spain, between the villages of Fuengirola and Marbella (Málaga). The execution of the constructions incluyed in this proyect will allow the conection, by a neww railway line, this station with Marbella and,in the future, with more village of the “Corredor Ferroviario of Costa del Sol”, witcth al presente hasn´t gotany rail connection.It be can observed in the section of the tunnel that is going to be performed. Geological and geotechnical studies are taken into account in order to classify the rock mass materials involved in the construction process. Afterwards, supports are defined according to geomechanical classifications, specifying four different sections. Making the stretch chosen by “Cut and Cover” method and being the main goal of this proyect all the constructive process of this, as well as other complementary works that will be executed of the crossing of this tunnel by accessible or inhabited areas currently.