Assessment of the influence of the elastic properties of rail vehicle suspensions on safety, ride quality and track fatigue

A sensitivity analysis has been performed to assess the influence of the elastic properties of railway vehicle suspensions on the vehicle dynamic behaviour. To do this, 144 dynamic simulations were performed modifying, one at a time, the stiffness and damping coefficients, of the primary and secondary suspensions. Three values were assigned to each parameter, corresponding to the percentiles 10, 50 and 90 of a data set stored in a database of railway vehicles.After processing the results of these simulations, the analyzed parameters were sorted by increasing influence. It was also found which of these parameters could be estimated with a lesser degree of accuracy in future simulations without appreciably affecting the simulation results. In general terms, it was concluded that the highest influences were found for the longitudinal stiffness and the lateral stiffness of the primary suspension, and the lowest influences for the vertical stiffness and the vertical damping of the primary suspension, with the parameters of the secondary suspension showing intermediate influences between them.

Análisis de registros de aceleraciones verticales en caja de grasa y correlación con la infraestructura

El sector ferroviario ha experimentado en los últimos años un empuje espectacular acaparando las mayores inversiones en construcción de nuevas líneas de alta velocidad. Junto a esta inversión inicial no se debe perder de vista el coste de mantenimiento y gestión de las mismas y para ello es necesario avanzar en el conocimiento de los fenómenos de interacción de la vía y el material móvil. En los nuevos trazados ferroviarios, que hacen del ferrocarril un modo de transporte competitivo, se produce un notable aumento en la velocidad directamente relacionado con la disminución de los tiempos de viaje, provocando por ello elevados esfuerzos dinámicos, lo que exige una elevada calidad de vía para evitar el rápido deterioro de la infraestructura. Resulta primordial controlar y minimizar los costes de mantenimiento que vienen generados por las operaciones de conservación de los parámetros de calidad y seguridad de la vía férrea. Para reducir las cargas dinámicas que actúan sobre la vía deteriorando el estado de la misma, debido a este aumento progresivo de las velocidades, es necesario reducir la rigidez vertical de la vía, pero igualmente este aumento de velocidades hace necesarias elevadas resistecias del emparrillado de vía y mejoras en las plataformas, por lo que es necesario buscar este punto de equilibrio en la elasticidad de la vía y sus componentes. Se analizan las aceleraciones verticales medidas en caja de grasa, identificando la rigidez vertical de la vía a partir de las frecuencias de vibración vertical de las masas no suspendidas, correlacionándola con la infraestructura. Estas aceleraciones verticales se desprenden de dos campañas de medidas llevadas a cabo en la zona de estudio. En estas campañas se colocaron varios acelerómetros en caja de grasa obteniendo un registro de aceleraciones verticales a partir de las cuales se ha obteniendo la variación de la rigidez de vía de unas zonas a otras. Se analiza la rigidez de la vía correlacionándola con las distintas tipologías de vía y viendo la variación del valor de la rigidez a lo largo del trazado ferroviario. Estos cambios se manifiestan cuando se producen cambios en la infraestructura, de obras de tierra a obras de fábrica, ya sean viaductos o túneles. El objeto principal de este trabajo es profundizar en estos cambios de rigidez vertical que se producen, analizando su origen y las causas que los provocan, modelizando el comportamiento de los mismos, para desarrollar metodologías de análisis en cuanto al diseño de la infraestructura. Igualmente se analizan los elementos integrantes de la misma, ahondando en las características intrínsecas de la rigidez vertical global y la rigidez de cada uno de los elementos constituyentes de la sección tipo ferroviaria, en cada una de las secciones características del tramo en estudio. Se determina en este trabajo si se produce y en qué medida, variación longitudinal de la rigidez de vía en el tramo estudiado, en cada una de las secciones características de obra de tierra y obra de fábrica seleccionadas analizando las tendencias de estos cambios y su homogeneidad a lo largo del trazado. Se establece así una nueva metodología para la determinación de la rigidez vertical de la vía a partir de las mediciones de aceleraciones verticales en caja de grasa así como el desarrollo de una aplicación en el entorno de Labview para el análisis de los registros obtenidos. During the last years the railway sector has experienced a spectacular growth, focusing investments in the construction of new high-speed lines. Apart from the first investment the cost of maintaining and managing them has to be considered and this requires more knowledge of the process of interaction between track and rolling stock vehicles. In the new high-speed lines, that make of the railway a competitive mode of transport, there is a significant increase in speed directly related to the shorten in travel time, and that produces high dynamic forces. So, this requires a high quality of the track to avoid quickly deterioration of infrastructure. It is essential to control and minimize maintenance costs generated by maintenance operations to keep the quality and safety parameters of the railway track. Due to this gradual increase of speed, and to reduce the dynamic loads acting on the railway track causing its deterioration, it is necessary to reduce the vertical stiffness of the track, but on the other hand this speed increase requires high resistance of the railway track and improvements of the railway platform, so we must find the balance between the elasticity of the track and its components. Vertical accelerations in axle box are measured and analyzed, identifying the vertical stiffness of the railway track obtained from the vertical vibration frequency of the unsprung masses, correlating with the infrastructure. These vertical accelerations are the result of two measurement campaigns carried out in the study area with the placement of several accelerometers located in the axle box. From these vertical accelerations the variation of the vertical stiffness from one area to another is obtained. The track stiffness is analysed relating with the different types of infrastructure and the change in the value of the stiffness along the railway line. These changes are revealed when changes in infrastructure occurs, for instance; earthworks to bridges or tunnels. The main purpose of this paper is to examine these vertical stiffness changes, analysing its origins and causes, modelling their behaviour, developing analytical methodologies for the design of infrastructure. In this thesis it is also reviewed the different elements of the superstructure, paying special attention to the vertical stiffness of each one. In this study is determined, if it happens and to what extent, the longitudinal variation in the stiffness of track along the railway line studied in every selected section; earthwork, bridges and tunnels. They are also analyzed trends of these changes and homogeneity along the path. This establishes a new method for determining the vertical stiffness of the railway track from the vertical accelerations measured on axle box as well as an application developed in LabView to analyze the recordings obtained.

Analysis of the problems associated with dynamic interaction between train, track and structure at transition zones

El gran desarrollo experimentado por la alta velocidad en los principales países de la Unión Europea, en los últimos 30 años, hace que este campo haya sido y aún sea uno de los principales referentes en lo que a investigación se refiere. Por otra parte, la aparición del concepto super − alta velocidad hace que la investigación en el campo de la ingeniería ferroviaria siga adquiriendo importancia en los principales centros de investigación de los países en los que se desea implantar este modo de transporte, o en los que habiendo sido ya implantado, se pretenda mejorar. Las premisas de eficacia, eficiencia, seguridad y confort, que este medio de transporte tiene como razón de ser pueden verse comprometidas por diversos factores. Las zonas de transición, definidas en la ingeniería ferroviaria como aquellas secciones en las que se produce un cambio en las condiciones de soporte de la vía, pueden afectar al normal comportamiento para el que fue diseñada la infraestructura, comprometiendo seriamente los estándares de eficiencia en el tiempo de viaje, confort de los pasajeros y aumentando considerablemente los costes de mantenimiento de la vía, si no se toman las medidas oportunas. En esta tesis se realiza un estudio detallado de la zonas de transición, concretamente de aquellas en las que existe una cambio en la rigidez vertical de la vía debido a la presencia de un marco hidráulico. Para realizar dicho estudio se lleva a cabo un análisis numérico de interacción entre el vehículo y la estructura, con un modelo bidimensional de elemento finitos, calibrado experimentalmente, en estado de tensión plana. En este análisis se tiene en cuenta el efecto de las irregularidades de la vía y el comportamiento mecánico de la interfaz suelo-estructura, con el objetivo de reproducir de la forma más real posible el efecto de interacción entre el vehículo, la vía y la estructura. Otros efectos como la influencia de la velocidad del tren y los asientos diferenciales, debidos a deformaciones por consolidación de los terraplenes a ambos lados el marco hidráulico, son también analizados en este trabajo. En esta tesis, los cálculos de interacción se han llevado a cabo en dos fases diferentes. En la primera, se ha considerado una interacción sencilla debida al paso de un bogie de un tren Eurostar. Los cálculos derivados de esta fase se han denominado cálculos a corto plazo. En la segunda, se ha realizado un análisis considerando múltiples pasos de bogie del tren Eurostar, conformando un análisis de degradación en el que se tiene en cuenta, en cada ciclo, la deformación de la capa de balasto. Los cálculos derivados de esta fase, son denominados en el texto como cálculos a largo plazo. Los resultados analizados muestran que la utilización de los denominados elementos de contacto es fundamental cuando se desea estudiar la influencia de asientos diferenciales, especialmente en transiciones terraplén-estructura en las que la cuña de cimentación no llega hasta la base de cimentación de la estructura. Por otra parte, tener en cuenta los asientos del terraplén, es sumamente importante, cuando se desea realizar un análisis de degradación de la vía ya que su influencia en la interacción entre el vehículo y la vía es muy elevada, especialmente para valores altos de velocidad del tren. En cuanto a la influencia de las irregularidades de la vía, en los cálculos efectuados, se revela que su importancia es muy notable, siendo su influencia muy destacada cuanto mayor sea la velocidad del tren. En este punto cabe destacar la diferencia de resultados derivada de la consideración de perfiles de irregularidades de distinta naturaleza. Los resultados provenientes de considerar perfiles artificiales son en general muy elevados, siendo estos más apropiados para realizar estudios de otra índole, como por ejemplo de seguridad al descarrilamiento. Los resultados provenientes de perfiles reales, dados por diferentes Administradores ferroviarios, presentan resultados menos elevados y más propios del problema analizar. Su influencia en la interacción dinámica entre el vehículo y la vía es muy importante, especialmente para velocidades elevadas del tren. Además el fenómeno de degradación conocido como danza de traviesas, asociado a zonas de transición, es muy susceptible a la consideración de irregularidades de la vía, tal y como se desprende de los cálculos efectuados a largo plazo. The major development experienced by high speed in the main countries of the European Union, in the last 30 years, makes railway research one of the main references in the research field. It should also be mentioned that the emergence of the concept superhigh − speed makes research in the field of Railway Engineering continues to gain importance in major research centers in the countries in which this mode of transportation is already implemented or planned to be implemented. The characteristics that this transport has as rationale such as: effectiveness, efficiency, safety and comfort, may be compromised by several factors. The transition zones are defined in railway engineering as a region in which there is an abrupt change of track stiffness. This stiffness variation can affect the normal behavior for which the infrastructure has been designed, seriously compromising efficiency standards in the travel time, passenger comfort and significantly increasing the costs of track maintenance, if appropriate measures are not taken. In this thesis a detailed study of the transition zones has been performed, particularly of those in which there is a change in vertical stiffness of the track due to the presence of a reinforced concrete culvert. To perform such a study a numerical interaction analysis between the vehicle, the track and the structure has been developed. With this purpose a two-dimensional finite element model, experimentally calibrated, in a state of plane stress, has been used. The implemented numerical models have considered the effects of track irregularities and mechanical behavior of soil-structure interface, with the objective of reproducing as accurately as possible the dynamic interaction between the vehicle the track and the structure. Other effects such as the influence of train speed and differential settlement, due to secondary consolidation of the embankments on both sides of culvert, have also been analyzed. In this work, the interaction analysis has been carried out in two different phases. In the first part a simple interaction due to the passage of a bogie of a Eurostar train has been considered. Calculations derived from this phase have been named short-term analysis. In the second part, a multi-load assessment considering an Eurostar train bogie moving along the transition zone, has been performed. The objective here is to simulate a degradation process in which vertical deformation of the ballast layer was considered. Calculations derived from this phase have been named long-term analysis. The analyzed results show that the use of so-called contact elements is essential when one wants to analyze the influence of differential settlements, especially in embankment-structure transitions in which the wedge-shaped backfill does not reach the foundation base of the structure. Moreover, considering embankment settlement is extremely important when it is desired to perform an analysis of track degradation. In these cases the influence on the interaction behaviour between the vehicle and the track is very high, especially for higher values of speed train. Regarding the influence of the track irregularities, this study has proven that the track’s dynamic response is heavily influenced by the irregularity profile and that this influence is more important for higher train velocities. It should also be noted that the difference in results derived from consideration of irregularities profiles of different nature. The results coming from artificial profiles are generally very high, these might be more appropriate in order to study other effects, such as derailment safety. Results from real profiles, given by the monitoring works of different rail Managers, are softer and they fit better to the context of this thesis. The influence of irregularity profiles on the dynamic interaction between the train and the track is very important, especially for high-speeds of the train. Furthermore, the degradation phenomenon known as hanging sleepers, associated with transition zones, is very susceptible to the consideration of track irregularities, as it can be concluded from the long-term analysis.