Análisis de la generación y transmisión de vibraciones por el paso de vehículos ferroviarios

Las vibraciones que se generan por el paso de los vehículos ferroviarios sobre la infraestructura, y su posterior transmisión al entorno, suponen una de las principales externalidades del ferrocarril. La circulación del material rodante genera una carga dinámica variable, que se transmite a través del contacto rueda-carril y a través de la propia vía férrea hasta el terreno, pudiendo afectar a edificaciones cercanas y causar molestias a los residentes. Esto es especialmente grave en ámbito urbano, como es el caso de redes de metro o tranvía, o líneas de media y larga distancia en sus tramos de entrada y salida de las ciudades.

El estudio de este fenómeno de transmisión de vibraciones es esencial para poder comprender y atajar esta externalidad del ferrocarril. Para ello es fundamental analizar cómo se genera y se transmite la onda vibratoria, y estudiar la influencia de factores tales como el tipo de material rodante, la velocidad de paso, el tipo de vía férrea, el grado de mantenimiento de la infraestructura, etc. Con este conocimiento es posible plantear medidas de atenuación tales como zanjas, suelas y mantas anti-vibratorias bajo traviesa o placa, o nuevos materiales y mezclas para la plataforma.

Para caracterizar y analizar la excitación ferroviaria asociada al ferrocarril se emplean modelos analíticos y numéricos que simulan el paso del vehículo y permiten evaluar el impacto de diferentes factores en la amplitud y la frecuencia de la onda generada. Otro modo de estudiar el fenómeno vibratorio es mediante la monitorización de las ondas generadas al paso de vehículos empleando acelerómetros situados en diferentes puntos de la infraestructura y el terreno circundante. Las señales captadas por estos sensores son posteriormente procesadas para obtener acelerogramas y espectros de frecuencias.

Mediante el empleo conjunto de modelos y datos medidos en vía, es posible analizar la transmisión de vibraciones en el ferrocarril y evaluar la efectividad de las diferentes medidas correctoras propuestas.

Responsable científico: Insa Franco Ricardo

Aplicaciones

  • Modelización de la interacción vehículo ferroviario-infraestructura mediante modelos analíticos. Modelización de la transmisión de vibraciones al entorno mediante modelos analíticos (basados en la ecuación de ondas) y modelos numéricos tridimensionales (basados en la formulación de elementos finitos). Monitorización de la transmisión de vibraciones a través de la infraestructura férrea y hacia el entorno de la vía por medio de equipos de sensores (acelerómetros). Procesado y análisis de los datos obtenidos (obtención de acelerogramas y espectros de frecuencia, espectros en tercios de octava). Análisis de la efectividad de diferentes medidas de atenuación de vibraciones (cálculo de curvas de pérdidas por inserción).

Ventajas técnicas

  • La implementación de las diferentes aplicaciones expuestas para la medición, modelización y análisis de las vibraciones generadas y transmitidas a través de la infraestructura ferroviaria presenta las siguientes ventajas técnicas:
  • Una mejor comprensión del fenómeno vibratorio, pudiendo identificar puntos de la vía que requieran un mayor mantenimiento o la implementación de alguna medida correctora.
  • El estudio de la transmisión de vibraciones otorga una base sólida sobre la que atender (o incluso prever) las quejas de residentes en zonas cercanas a la vía que se vean afectadas por las vibraciones generadas al paso de los vehículos ferroviarios.
  • Los modelos desarrollados son herramientas útiles para planificar futuras modificaciones de la infraestructura y discriminar inversiones según su impacto real en la atenuación de vibraciones.

Beneficios que aporta

  • A través de los datos de vibración convenientemente medidos y analizados, el operador ferroviario dispondrá de un conocimiento preciso del fenómeno vibratorio asociado a su infraestructura, lo que le permitirá identificar puntos conflictivos y planear actuaciones. Por otra parte, mediante el uso de modelos podrá evaluar las diferentes alternativas correctoras presentes en el mercado (mantas, zanjas, suelas elastoméricas, etc.) y escoger la más apropiada en base a criterios técnicos bien fundamentados.

Experiencia relevante

  • El Instituto del Transporte y Territorio (ITRAT) centra su actividad en diferentes campos, entre ellos la investigación y transferencia tecnológica en ingeniería ferroviaria. El ITRAT, a través del Grupo de Investigación en Ingeniería Ferroviaria (GIIF) ha participado en varios proyectos de I+D+i tanto de subvención pública como privada, algunos de ellos relacionados con la generación y transmisión de vibraciones en el ámbito ferroviario. Como parte de estos proyectos, el GIIF ha llevado a cabo varias campañas de medición de vibraciones en diferentes tipos de líneas férreas (metro, tranvía, cercanías, regional, Alta Velocidad) y diferentes infraestructuras (vía en balasto, vía en placa), con lo que cuenta con experiencia en el uso de sensores y equipos de medición. El GIIF también ha llevado a cabo el tratamiento de los datos obtenidos de estas campañas de medición, por lo que cuenta con experiencia en procesado y análisis de registros de vibración. Por último, en el marco de los mencionados proyectos, el GIIF ha llevado a cabo modelizaciones de la vía férrea y del fenómeno de generación de transmisión de vibraciones, realizando tanto modelos analíticos como modelos numéricos basados en elementos finitos (FEM).