Interacción dinámica vehículo-vía. Análisis de accidentes

Los esfuerzos que el vehículo transmite a la vía y viceversa tienen un marcado carácter dinámico debido a la rodadura, a la aceleración centrífuga en curvas y a las irregularidades de la vía entre otros factores, causando desplazamientos de los vehículos en direcciones perpendiculares (vertical y transversal) a la dirección de avance. A este fenómeno se le conoce como interacción dinámica vehículo-vía. El enfoque tradicional a la hora de tener en cuenta este efecto de cara al dimensionamiento de los diferentes elementos de la vía ha sido el cuasi-estático. En este enfoque, se realiza un análisis estático en el que las cargas estáticas se mayoran convenientemente a fin de considerar los sobreesfuerzos generados por la interacción dinámica. Con el avance de la tecnología ferroviaria, el incremento de la velocidad de circulación y de la carga por eje de los vehículos ferroviarios, este análisis se manifiesta insuficiente, siendo necesario adoptar en muchos casos elevados coeficientes de mayoración de cargas para quedar ¿del lado de la seguridad¿.

En realidad, un análisis meramente cuasiestático no permite conocer en detalle el fenómeno dinámico. El desarrollo de la computación en las últimas décadas ha permitido crear modelos numéricos capaces de abordar el problema dinámico con mayor rigor, permitiendo calcular los esfuerzos, tensiones, aceleraciones y desplazamientos que se producen en los diferentes elementos con mayor precisión y, sobre todo, conocimiento del fenómeno. Desde el punto de vista de dimensionamiento de los elementos de la superestructura e infraestructura ferroviarias, el análisis dinámico permite conocer los esfuerzos producidos entre la vía y el vehículo con mayor exactitud, ya que posibilita la introducción de diferentes parámetros dinámicos como masas, rigideces y coeficientes de amortiguamiento y su variación para ajustarlos al sistema ferroviario objeto de análisis.

Responsable científico: Insa Franco Ricardo

Aplicaciones

  • Las aplicaciones de los modelos dinámicos de interacción vehículo-vía tienen múltiples aplicaciones. Las que se desarrollan en el seno del Grupo de Investigación en Ingeniería Ferroviaria, perteneciente al ITRAT son dos. En primer lugar, cabe citar el dimensionamiento de elementos de la superestructura e infraestructura ferroviarias. Este tipo de análisis permite obtener esfuerzos dinámicos causados por un determinado tren (alta velocidad, tranvía, metro, mercancías pesadas, etc.) circulando en unas determinadas condiciones (velocidad, radio, peralte, etc.). Dichos esfuerzos sirven para determinar el adecuado comportamiento de los diferentes materiales de vía (carriles, traviesas, balasto, subcapas, etc.), especialmente en el caso de introducción de nuevos materiales, como por ejemplo el neumático fuera de uso en capas intermedias. Además, permite abordar el estudio de la variación de la rigidez vertical a lo largo de la vía, lo que redunda en un mejor diseño de las cuñas de transición de rigidez y en la evaluación de otro tipo de medidas, como pueden ser la interposición de mantas elastoméricas o suelas bajo traviesa. En segundo lugar, el Grupo de Investigación ha aplicado estos modelos para el análisis de accidentes ferroviarios en los que se ha producido un descarrilamiento. Mediante una adecuada simulación del vehículo y la vía, es posible simular diferentes escenarios alternativos (diferentes velocidades de paso, diferente calidad de la vía, distintas configuraciones del vehículo o de la vía, etc.) lo que permite descartar hipótesis de cara a averiguar las causas del descarrilamiento.

Ventajas técnicas

  • En el caso del dimensionamiento de materiales e infraestructura, permite la reducción de espesores de capas y la obtención de porcentajes óptimos de mezclas de áridos con otro tipo de nuevos materiales. También permite estudiar la rigidez óptima de los elementos elásticos que se puedan introducir en las zonas de cambio de rigidez con objeto de reducir los esfuerzos generados o bien atenuar la variación de rigidez. En el caso del análisis de accidentes ferroviarios, permiten simular el mismo accidente e introducir variaciones en los parámetros de entrada con objeto de simular diferentes escenarios (circulación a velocidades inferiores o superiores, variación de la geometría o estado de conservación de la vía, introducción de alguna deficiencia en el vehículo o modificación de sus masas o rigideces de la suspensión, etc. De este modo, es posible confirmar o descartar diferentes hipótesis de cara a identificar las causas de dicho accidente.

Beneficios que aporta

  • Los métodos actuales de dimensionamiento de capas de obras de tierra ferroviarias y en particular las zonas de transición, basados en análisis cuasiestático adolecen en muchos casos de quedar excesivamente del lado de la seguridad, fruto del ¿desconocimiento¿ que se tiene del fenómeno. Esto se traduce en una serie de sobrecostes que contribuyen a hacer menos atractivas las inversiones en este tipo de infraestructuras. Por su parte, el análisis dinámico aplicado a la investigación de accidentes permite observar fenómenos que de otro modo no sería posible, como es por ejemplo el hecho de que un tren circule por un tramo a más velocidad de la permitida.

Experiencia relevante

  • El Grupo de Investigación en Ingeniería Ferroviaria ha colaborado con diferentes empresas constructoras en el estudio de la introducción de nuevos materiales basados en la adición de Neumático Fuera de Uso en subcapas de la infraestructura. Destaca la colaboración en los Proyectos Compovía y Miplascoe, en los que el grupo colaboraba con la empresa AZVI. Por otra parte, la modelización dinámica vehículo-vía se aplicó en el estudio del accidente del metro de Valencia en 2006 para determinar si el estado de conservación de la vía jugó un papel relevante. En este caso, se elaboró un modelo multicuerpo mediante un software de simulación, que fue validado mediante la instrumentación de una unidad similar a la accidentada. Dicho modelo permitió reproducir las condiciones del accidente observar el comportamiento de la unidad en esas mismas condiciones y variando también ciertos parámetros, como la geometría de la vía.