Estudio dinámico de puentes de ferrocarril sometidos a nuevos modelos de carga en el marco europeo

Más allá de la alta velocidad, y debido en parte a su éxito, en los últimos años han aparecido trenes de pasajeros capaces de circular a velocidades más elevadas y ser más eficientes (como, por ejemplo, los de tipo automotor). Además, algunos de los antiguos modelos recogidos en las normativas parecen no cubrir determinados casos, lo que ha llevado a la reciente modificación de éstas. A todo esto se le añade la necesidad de crear una normativa común europea que establezca las bases para lograr la interoperabilidad. Con este proyecto se pretende estudiar los efectos dinámicos en puentes de estas nuevas tipologías de trenes, haciendo especial hincapié en los trenes automotores. El trabajo se centra principalmente en puentes isostáticos de luces cortas, por ser éstos especialmente sensibles a este tipo de acciones. El parámetro crítico, en estos casos, son las aceleraciones en centro de vano. Se realizara el cálculo dinámico por diferentes métodos: elementos finitos, análisis modal, así como programas de integración numérica en Matlab de los modos de vibración, analizando y comparando la efectividad de estos. Las diferencias entre la consideración o no de la distribución de las cargas transmitidas al tablero de la estructura de la vía a serán discutidas en el proyecto, así como la interacción dinámica entre estructura y vehículo. Finalmente se aplicarán los conocimientos obtenidos a varios casos reales de puentes incluidos en la red ferroviaria española, como por ejemplo, el viaducto de alta velocidad del Jalón. Los resultados de estos estudios tienen una repercusión en diversas normativas europeas actualmente en revisión y en las cuales está involucrado el Grupo de Mecánica Computacional: EN15528 European Committee for Standarization (2008), EN1991-2 European Committee for Standarization (2003) y las Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad Ferroviaria (TSI).

Fenómenos de resonancia asociados al transporte de mercancías líquidas por ferrocarril

Los vagones de mercancías se unen entre sí mediante acoplamientos UIC estándar. Aunque cada plataforma está equipada con un tensor de enganche en ambos extremos, sólo uno de ellos se utiliza, mientras que el otro descansa apoyado en un gancho. Debido a los efectos de oleaje del líquido contenido en las cisternas, este tensor en reposo puede entrar en resonancia con la frecuencia natural de algunos fluidos, llegando a oscilar de forma apreciable. En ocasiones llega a saltar fuera de su alojamiento, provocando ciertas molestias durante la circulación, aunque sin entrañar ningún riesgo para la seguridad de la marcha. Con el propósito de simular la influencia de diversos factores sobre el comportamiento dinámico asociado a estos fenómenos de oleaje, se ha desarrollado un modelo de la interacción fluido-vehículo, empleado técnicas de modelado de sistemas multicuerpo y de elementos finitos.

Estabilidad del tráfico en viaductos de carretera y ferrocarril

Cuando un automóvil o un tren circula sobre un viaducto se producen efectos dinámicos que, además de aumentar los esfuerzos que ha de soportar el puente, afectan a los propios vehículos. Los fenómenos de vibración lateral en los viaductos de ferrocarril están contemplados de manera muy sucinta en la normativa y pueden afectar a la seguridad y comodidad del tráfico. En el caso de las carreteras, esa dinámica también puede contribuir al riesgo de accidente y al aumento de la sensación de incomodidad, sobre todo si se considera la presencia de vientos laterales. La preocupación por estos fenómenos queda reflejada en el número de artículos publicados en revistas científicas en los últimos años. Para este trabajo se han desarrollado modelos de interacción dinámica que representan el comportamiento de las estructuras, mediante el método de los elementos finitos, y el de los vehículos, mediante sistemas multicuerpo.

Nuevas Investigaciones en la Dinámica de puentes de ferrocarril de alta velocidad

1. Moticacion Nuevos puentes 2. Efectos Dinámicos (¿Puentes Seguros?) 3. Requisitos de Servicio (¿Traco Seguro?) 4. Modelos y Normas (¿Cómo saberlo?) Modelos de Cálculo Normas Técnicas 5. Observaciones finales

Efectos dinámicos en puentes de ferrocarril

El comportamiento dinámico de los puentes constituye uno de los problemas clásicos de la Ingeniería Civil. Efectivamente, su origen se puede situar en el conocido accidente de Broughton en 1831, cuando un puente de hierro cedió al paso de una formación militar. Desde entonces, han sido innumerables los trabajos a que el tema dió lugar, conducentes en su mayoría a la definición de un coeficiente de mayoración sobre las cargas estáticas. Uno de los organismos más activos en este terreno ha sido la U.I.C.(Union Internationale des Chemins de Fer), a través de la comisión O.R.E. (Office de Recherches et d'Essais). Ya en la actualidad este organismo ha lanzado la Question D-160 referente al estudio de la flecha máxima admisible en relación a la comodidad del pasajero. En una primera etapa se trataba de la obtención de un programa de ordenador que contemplase el problema en su conjunto, lo cual permitiría posteriormente la realización de estudios paramétricos y consecuentemente la eventual mejora de criterios de diseño. Se invitó pues a una serie de centros de Investigación Europeos, entre los cuales se encontraba el equipo de la cátedra de Estructuras de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Este artículo pretende dar una visión general del programa realizado, así como de algunos de los resultados obtenidos al pasar uno de los casos de prueba solicitados por la ORE, el puente de Platting, en la República Federal de Alemania.

Algunas consideraciones sobre los efectos dinámicos en los puentes de ferrocarril

Se presentan consideraciones elementales sobre el coeficiente de impacto y se indican los resultados de las medidas ORE-UIC, a los que, en general, no se ha prestado la atención que merecen. Para facilitar su uso se presenta un diagrama de alineación doble, que se compara con la fórmula de la instrucción vigente.

El coeficiente de impacto en puentes de ferrocarril

El estudio teórico-práctico del coeficiente de impacto ha permitido obtener una fórmula de gran generalidad - en cuanto a material y tipos estructurales - para puentes de ferrocarril. Se presenta dicha fórmula en forma de gráfico de alineación doble, y se indican procedimientos para determinar las frecuencias propias en los casos más corrientes.

Una fórmula práctica para el coeficiente de impacto en puentes de ferrocarril

El artículo presenta un resumen de la situación actual en cuanto a la determinación de coeficientes de impacto en puentes. Los numerosos ensayos realizados en el seno de la Unión Internacional de Ferrocarriles por medio de su oficina de investigación (O.R.E.)han permitido relacionar los estudios teóricos con los resultados experimentales y establecer para el impacto una fórmula universal que no depende del material ni tipo estructural, y sí solamente de las características dinámicas del puente.

Interacción vehículo-estructura en puentes de ferrocarril

En este artículo se propone un modelo detallado para el análisis del problema clásico de dinámica de puentes de ferrocarril. En realidad, es un problema que ha vuelto a la luz en las últimas décadas debido a los nuevos requerimientos en comodidad y velocidad que exigen resultados más precisos. Dicho modelo incluye subsistemas de masas para los vehículos e interpolación mediante funciones de aproximación para la vía, las vigas y los pilares del puente, considerando comportamiento no lineal en algunos de los elementos y acoplamiento total del sistema. Aparte de la mencionada sofisticación, la principal contribución del modelo son las funciones de aproximación especiales que se proponen para la vía, para reducir el número de grados de libertad y permitir la deformada complicada de este elemento sometido a cargas concentradas móviles. Esto se logra gracias al uso de funciones de aproximación viajeras que acompañan a las ruedas del tren a una velocidad de paso que se supone constante.

Integración urbana del ferrocarril en Talavera de la Reina

El presente Proyecto de Construcción desarrolla la solución para la integración urbana del ferrocarril a su paso por la ciudad de Talavera de la Reina. Actualmente existe una línea férrea convencional de ancho ibérico que atraviesa Talavera de la Reina, la cual constituye una barrera difícilmente franqueable para el crecimiento de la ciudad hacia el norte. Esto ha hecho que, a lo largo de los años, el desarrollo de la ciudad venga por establecerse en la franja Este-Oeste, siendo necesario la solución del efecto barrera que el ferrocarril causa sobre el desarrollo de la ciudad. En febrero de 2003, la Dirección General de Ferrocarriles – hoy Dirección General de Infraestructuras Ferroviarias – redactó el estudio informativo del proyecto de la “Línea de Alta Velocidad Madrid – Extremadura. Tramo; Madrid.-Oropesa”. El tramo Madrid – Oropesa incluye el paso a través de la ciudad de Talavera de la Reina, y el estudio informativo de 2003 planteaba una solución en superficie de dos vías de ancho internacional para alta velocidad situadas junto a la vía actual de ancho ibérico, que quedaría para tráfico de mercancías. Toda la actuación se desarrollaba en las inmediaciones del corredor ferroviario actual. Esta solución dotaba a Talavera de la Reina de alta velocidad, pero no daba solución al efecto barrera del ferrocarril. El presente Proyecto de Construcción, determina la integración urbana del ferrocarril en Talavera de la Reina mediante un soterramiento a su paso por la ciudad.

Puente de ferrocarril sobre el Mittellandkanal en Braunschweig

The bridge over the Mittellandkanal is located in the municipality of Braunschweig, a city of Low Saxony located in Mid-North Germany, between Berlin and Hannover, 50 km away from this last city. The city of Braunschwig has 248.867 inhabitants (December 2010). The orography of the zone is practically even, with some slopes in the surrounding area, with a no important variation of the ground elevation, characterized by a big uniformity and a great visual quality. In this zone the canal flows from west to east, from the Dortmundkanal until the Elbe river, so it has a length of 325,3 km. The normal flora from the zone is farmland with some little forests not very big and not very important. But the Mittellandkanal lies at the North of Brauschweig, that means that in the zone of the canal there is a change between the urban area and the rural area. For this reason in the zone of the bridge we start to find farmlands and forest, however the constructions and buildings are still present in this area. The railway line that is going to be built will unite the North-center of Germany with the North-East of Germany because some of the following factors: •Overstress of the only existing line in the moment that connects Berlin with the North-East extreme of Germany. •No direct connection with the North-Easth Germany with other important German cities from South and West of Germany. •Replacement of the old existing one way line in the area that has to be renewed. •Modernization of the old railway lines of Germany. Schedule order by the European Union and the German Government. The actual lines of the zone do not have the necessary conditions and characteristics to satisfy the demand of the travelers that want to travel all over Germany with the railway avoiding using other transports like plan or car. For these reasons the necessity of the replacement of the old railway line and the aim to create a union with the North-East Germany that has a deficit of transport infrastructures and connections with the rest of the country and Europe. Although the new railway line provokes some disadvantages when constructing it is indispensable to build this railway line. The pass of the railway line through Braunschweig has not been random. The zone Braunschweig-Wolfsburg is a very industrialized area because of some companies like Wolkswagen and too because this zone is an important pass of important line from Berlin, South and East Germany. For all of these reasons the railway line goes through Braunschweig and connects to the city of Wolfsburg first, and after the North-East Germany zone.

Efectos dinámicos debidos al tráfico de ferrocarril sobre la infraestructura de vía y las estructuras

La vía tradicional sobre balasto sigue siendo una selección para las líneas de alta velocidad a pesar de los problemas técnicos y la prestación del funcionamiento. El problema de la vía sobre balasto es el proceso continuo del deterioro de éste debido a las cargas asociadas al tráfico ferroviario. En consecuencia es imprescindible un mantenimiento continuado para mantener un alineamiento adecuado de la vía. Por eso se surge la necesidad de comprender mejor el mecanismo involucrado en el deterioro de la vía y los factores claves que rigen su progresión a lo largo de ciclos de carga con el fin de reducir los costos del mantenimiento de la vía y mejorar el diseño de las nuevas vías. La presente tesis intenta por un lado desarrollar los modelos más adecuados y eficientes del vehículo y de la vía para los cálculos de los efectos dinámicos debido al tráfico de ferrocarril sobre la infraestructura de la vía sobre balasto, y por otro evaluar estos efectos dinámicos sobre el deterioro de la vía sobre balasto a largo plazo, empleando un adecuado modelo de predicción del deterioro de la misma. Se incluye en el trabajo una recopilación del estado del arte en lo referente a la dinámica de la vía, a la modelización del vehículo, de la vía y de la interacción entre ambos. También se hace un repaso al deterioro de la vía y los factores que influyen en su proceso. Para la primera línea de investigación de esta tesis, se han desarrollado los diferentes modelos del vehículo y de la vía y la modelización de la interacción entre ambos para los cálculos dinámicos en dos y tres dimensiones. En la interacción vehículo-vía, se ha empleado la formulación de contacto nodo-superficie para establecer la identificación de las superficies en contacto y el método de los multiplicadores de Lagrange para imponer las restricciones de contacto. El modelo de interacción se ha contrastado con los casos reportados en la literatura. Teniendo en cuenta el contacto no lineal entre rueda-carril y los perfiles de irregularidades distribuidas de la vía, se han evaluado y comparado los efectos dinámicos sobre el sistema vehículo-vía en la interacción de ambos, para distintas velocidades de circulación del vehículo, en los aspectos como la vibración del vehículo, fuerza de contacto, fuerza transmitida en los railpads, la vibración del carril. También se hace un estudio de la influencia de las propiedades de los componentes de la vía en la respuesta dinámica del sistema vehículo-vía. Se ha desarrollado el modelo del asiento de la vía que consiste en la implementación del modelo de acumulación de Bochum y del modelo de hipoplasticidad en la subrutina del usuario \UMAT" del programa ABAQUS. La implementación numérica ha sido comprobado al comparar los resultados de las simulaciones numéricas con los reportados en la literatura. Se ha evaluado la calidad geométrica de la vía sobre balasto de los tramos de estudio con datos reales de la auscultación proporcionados por ADIF (2012). Se ha propuesto una metodología de simulación, empleando el modelo de asiento, para reproducir el deterioro de la geometría de la vía. Se usan los perfiles de la nivelación longitudinal de la auscultación como perfiles de irregularidades iniciales de la vía en las simulaciones numéricas. También se evalúa la influencia de la velocidad de circulación sobre el deterioro de la vía. The traditional ballast track structures are still being used in high speed railways lines with success, however technical problems or performance features have led to ballast track solution in some cases. The considerable maintenance work is needed for ballasted tracks due to the track deterioration. Therefore it is very important to understand the mechanism of track deterioration and to predict the track settlement or track irregularity growth rate in order to reduce track maintenance costs and enable new track structures to be designed. This thesis attempts to develop the most adequate and efficient models for calculation of dynamic track load effects on railways track infrastructure, and to evaluate these dynamic effects on the track settlement, using a track settlement prediction model, which consists of the vehicle/track dynamic model previously selected and a track settlement law. A revision of the state of the knowledge regarding the track dynamics, the modelling of the vehicle, the track and the interaction between them is included. An overview related to the track deterioration and the factors influencing the track settlement is also done. For the first research of this thesis, the different models of vehicle, track and the modelling of the interaction between both have been developed. In the vehicle-track interaction, the node-surface contact formulation to establish the identification of the surfaces in contact and the Lagrange multipliers method to enforce contact constraint are used. The interaction model has been verified by contrast with some benchmarks reported in the literature. Considering the nonlinear contact between wheel-rail and the track irregularities, the dynamic effects on the vehicle-track system have been evaluated and compared, for different speeds of the vehicle, in aspects as vehicle vibration, contact force, force transmitted in railpads, rail vibration. A study of the influence of the properties of the track components on the the dynamic response of the vehicle-track system has been done. The track settlement model is developed that consist of the Bochum accumulation model and the hipoplasticity model in the user subroutine \UMAT" of the program ABAQUS. The numerical implementation has been verified by comparing the numerical results with those reported in the literature. The geometric quality of the ballast track has been evaluated with real data of auscultation provided by ADIF (2012). The simulation methodology has been proposed, using the settlement model for the ballast material, to reproduce the deterioration of the track geometry. The profiles of the longitudinal level of the auscultation is used as initial profiles of the track irregularities in the numerical simulation. The influence of the running speed on the track deterioration is also investigated.

Análisis del comportamiento dinámico de tableros de puentes pérgola de ferrocarril en líneas de alta velocidad

El presente trabajo aborda el estudio del comportamiento dinámico de tableros de puentes pérgola de ferrocarril en líneas de alta velocidad. El rápido aumento de este tipo de vías tanto en España como en Europa, ha propiciado la aparición de un gran número de condicionantes que en muchas ocasiones requieren la adopción de tipologías de puentes no habituales que difieren sensiblemente del puente tipo viga. En este sentido, los puentes pérgola, debido a sus características muy específicas y a su economía, han sido empleados con profusión. El tablero de un puente pérgola es una estructura de marcado carácter bidimensional que las cargas recorren de forma esviada. De dicha forma, resulta una tipología de tablero cuyo comportamiento dista notablemente del comportamiento unidimensional de las estructuras que han servido de base para la elaboración de la normativa actual de acciones de ferrocarril, y de la mayoría de los problemas planteados en la literatura especializada. Dada la escasez documental hallada, se ha planteado un alcance amplio, que trata de sentar las bases sobre las que desarrollar el estudio presente y futuro del tema, tratando de orientar la concepción y el diseño de los tableros de puentes pérgola destinados a líneas de ferrocarril de alta velocidad. Así, el presente trabajo aborda desde el estudio del fundamento teórico-matemático del problema dinámico analizado, hasta el análisis numérico del tablero de un puente pérgola real, pasando por un estudio de la influencia de los principales parámetros del tablero de un puente pérgola en su comportamiento dinámico. Dicho planteamiento ha permitido obtener una serie de conclusiones relevantes acerca del comportamiento dinámico de los tableros de puentes pérgola, que facilitan la labor de encaje y dimensionamiento de las mismas. Asimismo, se ha evaluado la posibilidad de obtener una respuesta dinámica deficiente para sus condiciones de trabajo actuales, realizando una serie de recomendaciones relacionadas con el diseño dinámico de esta tipología de estructuras.

Influencia de las irregularidades de la vía en la respuesta dinámica del sistema vehículo-vía-estructura en puentes de ferrocarril

En el marco de la U.I.C. (Unión Internacional de Ferrocarriles) la Oficina de Investigación y Ensayo (O.R.E) está desarrollando la cuestión D-160, relativa al cálculo de la flecha admisible de los puentes, en función de la confortabilidad de viajeros. El presente artículo expone algunos de los resultados obtenidos con los programas desarrollados en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid.

Interacción dinámica vehículo-vía-estructura-cimiento en puentes de ferrocarril

Se presenta en este trabajo un programa de ordenador para la resolución del problema de interacción dinámica terreno-estructura-vehículo-cimiento en el caso particular de puentes de ferrocarril al paso de éste por aquel. El programa, escrito en FORTRAN V, se ha implementado en un ordenador UNIVAC 1108. El objetivo último del proyecto corresponde al establecimiento de una normativa adecuada referente a la rigidez de puentes de ferrocarril, en orden a limitar las vibraciones producidas en los elementos del vehículo (incluido el pasajero) y con ello incrementar la confortabilidad. Para ello, se prevé, en una segunda fase, un detallado estudio paramétrico de la influencia que sobre los aspectos anteriores tienen cada una de las variables que intervienen en el proceso. En el método de análisis, es de destacar el estudio del comportamiento del conjunto vía-balastro, en el que se incluyen, por ejemplo, sobre la propia deformación global inducida por los movimientos de las vigas del puente, el efecto de deformación local producido por el paso de las ruedas del vehículo. Asimismo lo es la completa modelización de los vehículos, vigas, soportes y terreno con una gran variedad de elementos particulares de comportamiento para la resolución de la mayoría de los problemas presentados.