Análisis estático y dinámico de la estructura de vía

El estudio de la estática y dinámica ferroviaria constituye una herramienta de suma importancia para entender el comportamiento de la vía férrea frente al paso del tren. Dicho estudio se fundamenta en la definición de modelos matemáticos que describan lo más aproximadamente posible el fenómeno físico que ocurre debido a la presencia y marcha del tren. Dichos modelos describen los principales componentes de apoyo del vehículo y sobre los que recaen todas las solicitaciones. Las cargas móviles que se presentan repetitivamente generan aceleraciones y velocidades que pueden afectar el funcionamiento adecuado del sistema ferroviario.

La aplicación de las más actuales herramientas matemáticas mediante medios informáticos se vuelve vital en este contexto. Para ello, se plantea la necesidad de encontrar un modelo matemático de la vía férrea que permita una mejor comprensión del fenómeno físico estudiado.

Así, una de las líneas de trabajo del Instituto de Transporte y Territorio de la UPV se centra en el análisis estático y dinámico de la infraestructura y superestructura de vía. El desarrollo se fundamenta en las bases teóricas y en los estudios de investigaciones realizadas, como antecedentes del problema. La modelización se presenta como una potente herramienta a la hora de analizar estructuralmente y predecir el comportamiento de las secciones ferroviarias, incluso antes de construirlas.

Para el estudio de estos efectos se han desarrollado modelos que representan el comportamiento de las estructuras, mediante el método de los elementos finitos, y el de los vehículos, mediante sistemas multicuerpo. El uso de este tipo de modelos permite modelizar el conjunto vía-vehículo, posibilitando el análisis de fenómenos de degradación y de interacción vía-vehículo.

Además, dichas herramientas permiten incluso predecir con cierta exactitud el comportamiento de secciones que incluyen nuevos materiales y elementos que pueden dar lugar a soluciones innovadoras para los actuales problemas que existen en las infraestructuras ferroviarias.

Responsable científico: Insa Franco Ricardo

Aplicaciones

  • Los modelos de vía son convenientes para la idealización de estructuras compleja, como la infraestructura ferroviaria. Permiten considerar una variación espacial de las características físicas y geomecánicas de los materiales, por lo que pueden ser utilizadas para el estudio de la interacción vía-vehículo, permitiendo evaluar el comportamiento del sistema y de las diferentes variables que lo definen. Además, en el sector de la explotación del transporte ferroviario preocupa especialmente el impacto ambiental producido por la emisión de ruido y por la transmisión de vibraciones al entorno. Con ello, es posible: ¿ Análisis estructural estático y dinámico mediante modelos de elementos finitos del comportamiento de los elementos de la vía: carriles, traviesas, sujeciones, balasto y subbalasto. ¿ Análisis estructural estático y dinámico mediante modelos de elementos finitos del comportamiento de los elementos de la infraestructura y obras de fábrica: capa de forma, subcapas, obras de tierra, puentes, obras transversales, etc.
  • Aplicación al ensayo de nuevos materiales en vía, particularmente procedentes de neumáticos fuera de uso y residuos orgánicos.
  • Determinar y calcular secciones de vía óptimas para las condiciones de servicio a las que estará sometida.
  • Estudio de cambios en la explotación de la vía, p.e.: aumento del tráfico ferroviario.
  • Dimensionar nuevos elementos de vía (Sujeciones, traviesas, vía en placa, etc.)
  • Calcular las aceleraciones generadas en la vía y su trasmisión al entorno.
  • Evaluación de la eficiencia de medidas reductoras de vibración aplicadas sobre vehículo, vía, terreno o edificación
  • Predicción de fenómenos resonantes. Se aprecia así la existencia de numerosas situaciones que potencialmente requieren de un estudio del comportamiento frente a las solicitaciones inducidas por el ferrocarril.

Ventajas técnicas

  • La existencia de numerosas situaciones que potencialmente requieren de un estudio estático y/o dinámico del comportamiento inducido por el ferrocarril plantea la necesidad de elabora herramientas muy potentes para su análisis. Debido a la complejidad del problema, es necesario recurrir al uso de modelos numéricos basados en el método de elementos finitos (MEF) frente a modelos analíticos o empíricos. Estos modelos, que alcanzan diferente grado de detalle, se desarrollan utilizando software potente, junto con su lenguaje de programación propio para la integración de capacidades externas a las disponibles. Este tipo de modelo permite obtener la respuesta dinámica vertical en cualquier nodo de la vía al aplicar fuerzas excitadoras verticales sobre los carriles. Con ello es posible determinas las distribuciones tensionales en cada una de las capas, los asientos asumidos por el carril y los diversos elementos, las respuestas estructurales de la plataforma y las deformaciones. Además, se pueden resolver tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia. Especial utilidad poseen en el estudio de las vibraciones, pues la propagación por el terreno es el fenómeno de mayor incertidumbre de los involucrados, debido a la gran variabilidad espacial de las propiedades geométricas y dinámicas del suelo.

Beneficios que aporta

  • Los modelos numéricos se han validado mediante casos bibliográficos y en situaciones reales en diferentes etapas, lo que permite disponer de herramientas muy precisas para la estimación de esfuerzos y vibraciones. Por ello, existe una buena concordancia entre la respuesta de la vía analizada, obtenida con el modelo numérico, con el modelo analítico y la obtenida experimentalmente.

Experiencia relevante

  • La participación del grupo con las empresas del sector en el desarrollo de proyectos de investigación dentro de programas colaborativos de I+D+i y a través de diversas colaboraciones y convenios establecidos ha permitido ampliar la capacidad innovadora del grupo, consolidando la continua actividad de investigación y el carácter innovador. Por ello, los modelos numéricos se han validado en situaciones reales, lo que permite disponer de herramientas muy precisas para la estimación de esfuerzos y vibraciones. Este hecho confirma la validez de los modelos empleados. Además, los miembros del grupo de investigación han realizado diversas publicaciones técnicas en medios nacionales e internacionales, así como la participación en congresos a través de ponencias técnicas, plasmando su capacidad para generar conocimiento y transmitirlo a la sociedad a través de la investigación, la formación y la transferencia tecnológica.