Diseño estructural de infraestructura y superestructura ferroviarias

La evolución tecnológica en la construcción de infraestructuras ferroviarias, materializada en parte en los trazados de alta velocidad, junto con las nuevas exigencias de seguridad, calidad, confort, normalización de los criterios de diseño y de interoperabilidad aconsejan el uso de metodologías de dimensionado precisas y con gran capacidad de cálculo. Por ello, el dimensionamiento de la plataforma ferroviaria tiene una importancia primordial, tanto en el coste del proyecto como en el futuro comportamiento de la infraestructura frente a las cargas de tráfico, lo que condiciona las necesidades de conservación, y en consecuencia, los costes de mantenimiento.

La elección de la tipología estructural (tanto vía en balasto como vía en placa), así como de las capas de asiento y de un eventual refuerzo reviste especial interés en el caso de la adecuación de líneas existentes a nuevas exigencias de tráfico, considerando el aumento de las velocidades de circulación o la variación del número y naturaleza de las circulaciones ferroviarias.

Para llevar a cabo el diseño, es necesario contar con una metodología que tenga en cuenta todas las variables que influyen en el dimensionado, pues existe un elevado número de factores que contribuyen para la complejidad del problema. El tipo/complejidad de modelo a adoptar debe escogerse según el objetivo del estudio y de los resultados que se pretenden obtener. Con ello, la metodología de dimensionamiento puede sintetizarse en los siguientes pasos fundamentales:

- Modelización matemática del comportamiento mecánico de la infraestructura frente a la acción de las cargas de tráfico y la consideración de la degradación de la plataforma.
- Caracterización de las cargas ferroviarias (evaluación de las cargas dinámicas).
- Caracterización de la necesidad de conservación de la infraestructura
- Dimensionamiento de las capas de asiento.

Para el dimensionamiento se utilizan los siguientes parámetros:

- Explanada o plataforma.
- Capacidad drenante y condiciones climatológicas.
- Tráfico durante la vida útil previsto.

Responsable científico: Insa Franco Ricardo

Aplicaciones

  • La aplicación de modelos matemáticos y métodos numéricos y, en particular el Método de los Elementos Finitos al análisis del comportamiento mecánico de infraestructuras ferroviarias sometidas a cargas de tráfico se emplea para el dimensionamiento de las capas de portantes y de los elementos de la superestructura ferroviaria, así como para determinar la necesidad y el espesor de las capas de refuerzo necesarias. La modelización permite obtener una estimación de la rigidez global, necesaria para el cálculo de los valores dinámicos de las cargas, así como la tensión vertical máxima en la plataforma bajo diferentes hipótesis de carga. Además, la aplicación del MEF en la infraestructura ferroviaria permite, además, obtener resultados y estudiar otros problemas de diseño.
  • Diseño estructural de secciones transversales: Aplicación a vías convencionales sobre balasto, así como a diversas tipologías de vía en placa.
  • Diseño estructural de subcapas granulares.
  • Dimensionamiento mediante modelos de elementos finitos. Así pues, el estudio del comportamiento mecánico de las infraestructuras ferroviarias permite abordar numerosos problemas de indudable interés.

Ventajas técnicas

  • Los modelos desarrollados por el GIIF de la UPV permiten aplicar una metodología de dimensionamiento de capas de asiento y de la superestructura de vía (tanto vía en balasto como vía en placa) y constituye una herramienta compleja y potente para abordar e análisis de no pocos aspectos y problemas vinculados al comportamiento mecánico del sistema carril-traviesa-capas de asiento-plataforma (carril-placa-capas de asiento-plataforma). Este modelo presenta una serie de ventajas que se detallan a continuación:
  • Es un modelo tridimensional.
  • Admite un comportamiento visco-elástico de los materiales.
  • Reproduce todos los elementos de la vía, incluyendo traviesas y placas de asiento.
  • Presenta una mayor flexibilidad a la hora de adaptarlo a diferentes tipologías de vía y geometrías.
  • Permite obtener no sólo aceleraciones, sino también velocidades, deformaciones y tensiones. De este modo, el modelo de elementos finitos, ya calibrado y validado, se presenta como un instrumento capaz de reproducir las vibraciones generadas por el paso del vehículo en todos los puntos de la infraestructura, desde el carril hasta la plataforma. Actualmente, el modelo permite el tratamiento de los fenómenos de fatiga, o daño/degradación de la plataforma bajo cargas cíclicas.

Beneficios que aporta

  • Los modelos de vía contribuyen a cuantificar el comportamiento y la degradación de la infraestructura, por lo que constituyen un instrumento de diseño eficiente y racional, considerando el comportamiento a lo largo de su vida útil y sus necesidades de mantenimiento.

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.