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La viabilidad de la vía en placa en líneas de alta velocidad

Vía en placa de hormigón en Alemania. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%ADa_en_placa#/media/File:Feste_Fahrbahn_FFB%C3%B6gl.jpg

Vía en placa de hormigón en Alemania. Fuente: https://es.wikipedia.org

La concepción de la superestructura del ferrocarril presenta ciertas semejanzas de evolución conceptual e histórica respecto a la de las carreteras. De hecho, el dualismo existente en los firmes de carreteras referido a los firmes flexibles y los rígidos, puede extenderse, de alguna forma, al existente en la tecnología del ferrocarril respecto a la superestructura de vía con balasto o sin él, es decir, con vía en placa. El debate entre el uso del balasto o de la vía en placa es un debate abierto (Puebla et al., 2000), donde los condicionantes técnicos, funcionales y económicos cobran especial importancia, especialmente cuando se refieren a las líneas de alta velocidad.

La superestructura de balasto presenta, sin duda, ventajas importantes como son los costes de construcción menores que las alternativas sin balasto, la posibilidad de modificar la situación de la vía sin causar problemas de explotación, la regulación sencilla de la altura en caso de asientos de terraplenes, una buena amortiguación acústica y una conservación avalada por la experiencia, con medios mecanizados (Estrade, 1991). Países mediterráneos como Francia, Italia o España han sido partidarios del balasto debido, entre otras causas, a la calidad de los yacimientos de rocas silíceas que permiten, según indican Puebla et al. (2000) una adecuada relación comportamiento/coste. Además, como indica Melis (2006a), los grandes descensos de los terraplenes impiden en ocasiones poner vía en placa sobre ellos. Ello supone, de hecho (Melis, 2006b) la práctica eliminación de los terraplenes altos en las líneas de alta velocidad, reduciendo su altura a 9 m y su asiento a 30 mm, bajando rasantes y alargando túneles.

Sin embargo, uno de los problemas más importantes de las líneas de alta velocidad es el mantenimiento de la calidad de la vía sobre balasto. Este hecho se constató ya en la línea del Tokaido, en Japón, en el año 1964, para velocidades máximas de 210 km/h. El mantenimiento de la calidad geométrica de la vía obliga a operaciones mecanizadas de mantenimiento. Esta dificultad, además, suele ser mayor en infraestructuras difíciles como puentes y túneles. Así, ya en 1924 en un túnel japonés se sustituyó el balasto por unos bloques de madera embebidos en hormigón, formando un basamento bajo cada carril para evitar los problemas con los flujos de agua. Por tanto, la necesidad de una alternativa al balasto se reveló como importante, a pesar de que dicha tecnología también presentaba problemas a resolver. Esta necesidad de un sistema de vía distinto al tradicional ya se puso de manifiesto en 1971 en el estudio HSB (ver Escolano, 1998) para velocidades superiores a los 200 km/h. Ello se debe a que el esfuerzo dinámico aumenta con la velocidad del tren y depende de la calidad posicional de la vía. Es por ello que Alemania adoptó la decisión de aplicar este tipo de montaje en todas sus nuevas líneas de alta velocidad. A todo ello habría que añadir el efecto del schotterflug o “vuelo del balasto” arrastrastrado en el caso de trenes circulando a elevada velocidad (Melis, 2006b).

Vista de como se construye la vía, las armaduras posicionan las traviesas y luego serán hormigonadas. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%ADa_en_placa#/media/File:Schwellen_Rheda.jpg

Vista de como se construye la vía, las armaduras posicionan las traviesas y luego serán hormigonadas. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%ADa_en_placa#/media/File:Schwellen_Rheda.jpg

Los elementos constitutivos de la vía en placa lo forma la plataforma, la solera, la placa soporte, la fijación del carril, la soldadura en barra larga y los elementos adicionales. Una ventaja que caracteriza a la vía en placa es que, frente a la rodadura, el sistema presenta una elasticidad y una amortiguación independiente de la climatología, con una alta disponibilidad para el servicio del vial, con un buen comportamiento ante la dinámica de la marcha, y por tanto, y bajo mantenimiento (Escolano, 1998). Además, las proyecciones de balasto quedan descartadas, precisan de una sección menor de los túneles, se adapta mejor al terreno y el comportamiento se garantiza para velocidades menores a 300 km/h (Escolano, 1998). Otro aspecto de gran importancia es, tal y como indica López-Pita (2001), la cuantificación de la rigidez vertical de la vía. Se trata de un indicador clave en los fenómenos de interacción vía-vehículo, y por tanto, en el deterioro de la vía, especialmente importante en las líneas de alta velocidad. En este sentido, López-Pita (2001) indica que la degradación de la capa de balasto por causa de las vibraciones generadas por el material ferroviario, especialmente en líneas de alta velocidad, podría limitarse con el empleo de vía en placas de asiento de elevada elasticidad. En este sentido, Sheng et al. (2004) comentan que la placa en vía puede reducir el nivel de vibración frente al balasto en el caso de presencia de irregularidades verticales. La solución de vía en placa es más cara de construcción, pero más económica en su mantenimiento. Así por ejemplo, Esveld (2001) indica que este coste de mantenimiento puede reducirse hasta un 70-90%. El encarecimiento se debe, fundamentalmente, a los bajos rendimientos. Además, el rectificado y ajustado del posicionamiento del carril se mueve dentro de límites muy estrictos.

Lei y Zhang (2011) presentaron un modelo de análisis dinámico que le permitió desarrollar un nuevo tipo de placa para vía. Poveda et al. (2015) han presentado recientemente un estudio numérico sobre fatiga en el diseño de placas para vía. Parte de estos autores presentaron también un diseño experimental que comprobaba el comportamiento a fatiga de estos elementos (Tarifa et al., 2015). El Ministerio de Fomento (2014), elaboró una monografía sobre la aplicación de los Eurocódigos para el cálculo de puentes de ferrocarril, centrándose en la vía en placa en aquellos aspectos no contradictorios con dichos códigos.

Puebla et al. (2000) indican cuatro grupos de sistemas de vía en placa: construcción en capas, construcción monolítica, construcción por bloques recubiertos de elastómero y sistemas de construcción especiales. En cualquier caso, el problema más importante que afecta a la viabilidad económica de la vía en placa es su materialización, es decir, los costes elevados derivados de su construcción. Las causas del bajo rendimiento y del elevado coste del montaje de vía sobre placa se debe fundamentalmente a dos motivos. El primero al propio montaje de la vía a su posición teórica definitiva, con un elevado grado de precisión y tolerancias muy restrictivas. Así, el hormigonado tradicional permite un rendimiento de 150 a 200 m/día, muy por debajo de los rendimientos en balasto, que pueden ser más de 1000 m/día. Incluso con el método Alemán, que consiste básicamente en introducir un tren de mezcladoras por una vía auxiliar -construida expresamente a tal efecto- y bombear el contenido de forma íntegra, los rendimientos no superan los 175 a 250 m/día. Es evidente que es necesario un salto tecnológico para superar esta barrera en los rendimientos para ser competitivo económicamente frente al balasto.

Os dejo a continuación un vídeo sobre el hormigonado tradicional de la vía en placa. Espero que os guste

Referencias:

  • Escolano, J. (1998). La “vía en placa” en la DB AG. Revista de Obras Públicas, 145(3382):21-34.
  • Estrade, J.M. (1991) La superestructura de vía sin balasto: perspectivas de su aplicación en las nuevas líneas de alta velocidad. Revista de Obras Públicas, 138(3305):9-28.
  • Estrade, J.M. (1998) La superestructura de vía en placa en las nuevas líneas de alta velocidad de nuestro país. Revista de Obras Públicas, 145(3372):63-74.
  • Esveld, C. (2001). Modern railway track. 2nd ed. The Netherlands: Delft University of Technology.
  • Lei, X.; Zhang, B. (2011). Analysis of dynamic behavior for slab track of high-speed railway base don vehicle and track elements. ASCE Journal of Transportation Engineering, 137(4): 227-240.
  • López-Pita, A. (2001). La rigidez vertical de la vía y el deterioro de las líneas de alta velocidad. Revista de Obras Públicas, 148(3415):7-26.
  • Melis, M. (2006a). Terraplenes y balasto en la alta velocidad ferroviaria (primera parte). Revista de Obras Públicas, 153(3464):7-36.
  • Melis, M. (2006b). Terraplenes y balasto en la alta velocidad ferroviaria. Segunda parte: Los trazados de Alta velocidad en otros países. Revista de Obras Públicas, 153(3468):7-26.
  • Ministerio de Fomento (2014). Documentos complementarios no contradictorios para la aplicación de los Eurocódigos para el cálculo de puentes de ferrocarril. Centro de Publicaciones, 211 pp.
  • Poveda, E.; Yu, R.C.; Lancha, J.C.; Ruíz, G. (2015). A numerical study on the fatigue life design of concrete slabs for railway tracks. Engineering Structures, 100:455-467.
  • Puebla, J.; Fernández, A.; Gilaberte, M.; Hernández, S.; Ruíz, A. (2000). Para altas velocidades ¿Vía con o sin balasto? Revista de Obras Públicas, 147(3401): 29-40.
  • Sheng, X.; Jones, C; Thompson, D. (2004). A theoretical model for ground vibration from trains generated by vertical track irregularities. Journal of Sound and Vibration, 272(3–5):937–65.
  • Tarifa, M.; Zhang, X.; Ruíz, G.; Poveda, E. (2015). Full-scale fatigue tests of precast reinforced concrete slabs for railway tracks. Engineering Structures, 100: 610-621.

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11 agosto, 2016
 
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Construcción de un paso inferior bajo vía

Paso inferiorEn estos dos vídeos se puede ver cómo se sustituyó un antiguo paso inferior para ferrocarril por otro en Cow Lane (Reading). El nuevo es un marco que se construyó fuera de su ubicación y luego se empujó hasta suposición definitiva. Espero que os gusten.

En este vídeo podemos ver los últimos 4 días de la construcción de un paso inferior en Reading, en diciembre de 2011.

Os dejo también una entrevista sobre los trabajos.

 

 

21 diciembre, 2015
 
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Variante ferroviaria de Burgos

Sección transversal de la variante, http://ferropedia.es/

La variante de Burgos es un tramo de línea de la Línea de alta velocidad Venta de Baños-Burgos-Vitoria que recorre el norte de la ciudad española de Burgos. Cuenta con una longitud total de 20,7 kilómetros, y permite recorrer la ciudad por el norte a una cota distinta a la de la ciudad, generando una gran permeabilidad. Posee cuatro ramales de enlace: uno de 3,7 km con línea Madrid-Burgos, otro de 2,4 km con el polígono industrial de Villalonquejar; y dos, de 2,9 km al oeste y 0,5 km al este, para conectar con el Puerto seco de Burgos. Para facilitar el paso de personas, vehículos y fauna se tuvieron que construir 29 estructuras: 6 superiores, 18 inferiores, 5 viaductos y un falso túnel, cercano a la localidad de Villatoro. Su trazado discurre al norte de la ciudad, y las obras incluyeron la nueva Estación de Burgos Rosa de Lima, que sustituyó a la anterior, al igual que una serie de actuaciones complementarias que permitieron trasladar todas las instalaciones de mantenimiento a la estación de Villafría, y conectar a la variante el polígono industrial de Villalonquéjar. La plataforma ferroviaria tiene un ancho útil capaz de albergar tres vías, de forma que su servicio pueda tener dos fases: la que entró en servicio en diciembre de 2008 con dos vías de ancho ibérico; y la futura, con dos vías en ancho internacional para la circulación de los trenes de Alta Velocidad, y una en ancho ibérico para los tráficos convencionales.

Esquema de la Variante de Burgos. En negro, líneas desmanteladas. http://ferropedia.es

Presentación y explicación de la Variante Ferroviaria de Burgos, perteneciente al AVE Madrid – País Vasco / Frontera Francesa (voxelstudios)

14 diciembre, 2014
 
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Túnel ferroviario de Guadarrama

 

Boca sur del túnel de Guadarrama. Wikipedia

El túnel ferroviario del Guadarrama está formado por dos túneles paralelos, uno para cada sentido de la circulación, de 28 km de longitud. Es el más largo construido en España, el cuarto más largo de Europa y el quinto de todo el mundo a fecha de 2008. Iniciado el 28 de septiembre de 2002, su entrada en servicio tuvo lugar el 22 de diciembre de 2007 y en su construcción han llegado a trabajar más de 4000 personas simultáneamente. Es una de las mayores obras de ingeniería civil ejecutada en España. Éste túnel constituye la piedra angular de las líneas de alta velocidad que unirán Madrid con las principales ciudades del norte y noroeste de España.

Esta infraestructura atraviesa la sierra de Guadarrama partiendo desde el término municipal de Miraflores de la Sierra (Madrid) a una cota a 998 m y alcanzando una altura máxima de 1.200 m, con una pendiente del 1,5%, y volviendo a descender hasta los 1.114 m ya en las proximidades de la ciudad de Segovia. El máximo recubrimiento de la bóveda del túnel se da bajo el entorno del Pico de Peñalara, con 992 m de altura en ese punto. Los túneles tienen un diámetro de excavación de 9,45 m y un diámetro interior de 8,50 m, estando separados sus ejes 30 m.

El proceso constructivo empleó cuatro tuneladoras de roca extradura, atacando desde sus cuatro bocas. Al tener que atravesar fallas de materiales poco resistentes y prever situaciones de bloqueo de las máquinas, el tipo de tuneladora fue de doble escudo, con una capacidad de empuje sobredimensionada. Estas máquinas extrajeron 4 millones de m³ de los túneles. Dispone de galerías de emergencia uniendo ambos corredores cada 250 m, una gran estancia autónoma y estanca a mitad de recorrido, con cabida para 1.200 personas para su uso en caso de emergencia y se han instalado ventiladores reversibles que puedan inyectar aire si ocurriese un incendio. El diseño se ha realizado para que los trenes que lo recorran puedan alcanzar altas velocidades sin comprometer con ello la infraestructura.

 Os dejo un par de vídeos donde se explica la ejecución de esta infraestructura.

 

 

13 diciembre, 2014
 
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Estudio paramétrico de pilas altas para viaductos en las líneas de alta velocidad

fig2

El diseño de las pilas de puentes tiene una especial importancia desde el punto de vista económico si pensamos que, dependiendo de la altura de las pilas y de las condiciones del terreno de cimentación, este coste puede llegar a ser el 50% del total del coste de un viaducto. En este post he querido resaltar algunos resultados de un trabajo realizado por nuestro grupo de investigación que presenta un estudio paramétrico de pilas altas (más de 50 m de altura) de hormigón armado de sección hueca rectangular para puentes. Estas pilas se utilizan normalmente en la construcción de viaductos ferroviarios de hormigón pretensado. Para realizar la optimización de las pilas se empleó un algoritmo de optimización basado en el comportamiento de las hormigas (Ant Colony Optimization). Se han estudiado veintiún casos diferentes para siete alturas de columna de 40 , 50 , 60 , 70 , 80 , 90 y 100 m, y tres tipos de viaductos para líneas de alta velocidad con 10 tramos continuos, cuyas longitudes vano principal fueron 40 , 50 y 60 m. Las pilas estudiadas son las columnas intermedias colocadas en el medio de los viaductos. El número total de variables de diseño de optimización varía de 139 para pilas con altura de la columna de 40 m a 307 para pilas con altura de 100 m. Los resultados que se presentan en el trabajo son de gran valor para el diseño preliminar de este tipo de estructuras, con reglas de predimensionamiento práctico de interés.

Viaducto de O Eixo, ejemplo de empleo de pilas altas, http://www.pondio.com

Resultados interesantes:

  • Las cuantías medias necesarias de acero y hormigón, tanto en alzado como en cimentación, para las pilas estudiadas varían entre 887 kg/m y 12 m3/m para alturas de 40 m a 2720 kg/m y 26 m3/3 en alguras de 100 m.
  • Los costes medios encontrados varían desde un mínimo de 3221 €/m para las pilas menos cargadas, a un máximo de 6206 €/m en el caso de las más cargadas.
  • A continuación os paso un par de gráficas que pueden ser de interés respecto al hormigón. El resto de información se puede ver en el artículo.

Pilas 1

Pilas 2

Referencia:

MARTÍNEZ-MARTÍN, F.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2013). A parametric study of optimum tall piers for railway bridge viaducts. Structural Engineering and Mechanics, 45(6): 723-740. (link)

22 noviembre, 2014
 
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Paso inferior mediante cajones empujados

En numerosas ocasiones no podemos realizar un paso bajo una línea de ferrocarril o de carretera sin interrumpir seriamente el tráfico durante un periodo de tiempo que, en ocasiones, no es posible superar. En vez de construir una estructura tipo marco de forma tradicional, podemos acudir al procedimiento constructivo de empuje de cajones.  Se trata de realizar la estructura íntegramente fuera de la plataforma de la vía o de la carretera y posteriorrmente,  mediante una fase de excavación y otra de translación realizadas simultáneamente, se sitúa la estructura en su posición definitiva.

La estructura no va cimentada, está apoyada simplemente sobre el plano horizontal de deslizamiento constituido por la llamada “solera de deslizamiento“, que hormigonada con anterioridad, crea el plano de apoyo de la mencionada estructura.  La solera tiene la doble función de crear un plano de deslizamiento de la estructura, y por otra parte, servir de encofrado para la construcción de la misma.

El diseño de la sección estructural del cajón debe resultar compatible con los esfuerzos originados en el proceso de traslación y con las solicitaciones derivadas de la ausencia de cimentación en la estructura una vez completado el deslizamiento.

Paso inferior del metro ligero bajo la línea del ferrocarril Granada-Moreda, en la zona de Cerrillo Maracena.

Para la construcción de la losa base inferior de la estructura, se requiere la interposición entre ésta y la solera de deslizamiento, de un material idóneo que cumpla las funciones de separación de hormigones reduciendo el rozamiento en la traslación. A tal propósito se recurre por razones de funcionalidad y economía a una lámina de polietileno de espesor adecuado.

La parte frontal del cajón debe ofrecer la mayor resistencia posible al avance en el terreno y sujetar lateralmente el mismo, por lo que se proyecta prolongando su losa superior y los muros laterales, achaflanados estos últimos al fin de constituir la denominada “cuña de penetración“.

Tiene particular importancia, en la fase de empuje, la estabilidad del frente de excavación para evitar el peligro de desconsolidación lateral en “V” en los muros laterales de la cuña de penetración. En tal caso podría llegarse al asentamiento de la plataforma. La experiencia sugiere dar una inclinación achaflanado el frontal de la cuña de penetración conforme al ángulo de rozamiento del terreno y así poder proceder en fase de avance con un frente paralelo al talud del mismo.

Podemos resumir las ventajas derivadas de este sistema constructivo, en el caso de un paso inferior en una vía de ferrocarril, en las siguientes:

  • Eliminación de todos los trabajos que precisen corte de vía
  • Eliminación de trabajos nocturnos
  • Eliminación de toda actividad de maquinaria sobre la vía y de los cortes de catenaria correspondientes
  • Disminución  consecuente de interferencias con el tráfico ferroviario
  • Seguridad en el paso de circulaciones, evitando situaciones en precario
  • Eliminación de problemas de cimentación
  • Facilidad de construcción de la estructura en espacio abierto
  • Control total de la calidad de los materiales y de la ejecución
  • Impermeabilidad de la estructura
  • Acabado de paramentos en hormigón visto, sin necesidad de revestimientos posteriores

 

Os paso un vídeo de la Junta de Andalucía donde se puede ver cómo se ha realizado un paso inferior para atravesar una línea de ferrocarril mediante el empuje de cajones de hormigón. Espero que os guste. (más…)

26 diciembre, 2013
 
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El funicular

Funicular en Valparaiso (Chile). Wikipedia.

Se denomina funicular a un sistema de transporte por cable utilizado para salvar grandes pendientes. Se emplean para transportar cargas a intervalos regulares. Circula sobre raíles y normalmente dispone de dos cabinas enlazadas por un cable de acero sobre una vía de ferrocarril, a modo de ascensor inclinado, de tal forma que mientras un vehículo sube el otro baja, lo que permite aprovechar la energía potencial del que queda en la parte superior para subir el inferior a la vez que se frena el que está bajando.

Se pueden superar pendientes de hasta un 70%. Los carretones de elevación suelen ser dispositivos tipo skip, permaneciendo en un plano horizontal para no verter la carga. Con pequeñas rampas, la velocidad de subida llega a 1 m/s y las cargas oscilan entre 10 y 20 t. Con fuertes pendientes, se alcanzan hasta 5 t y 0,5 m/s.

Los vagones suelen compartir la misma vía salvo en el punto medio, donde se bifurca para que puedan pasar a la vez. Los vehículos carecen de motorización propia, ya que el movimiento lo imprime un motor que acciona una gran polea, que a su vez mueve el cable de tracción. No obstante, los vehículos van dotados de varios sistemas de frenado, tanto de servicio como de urgencia, este último en caso de fallo en las instalaciones (rotura o disensión del cable, etc.) o en los vehículos.

Este medio de transporte se creó alrededor del Siglo XIX como una alternativa a la vías del ferrocarril, como medio de vencer grandes pendientes. El primer funicular del mundo, accionado por una máquina de vapor, fue el que unía Rue Terme con Croix Rousse y fue inaugurado en Lyon en el año 1862.

A continuación os dejo un vídeo del funicular suizo de Gelmer, que es el más empinado del mundo, con un 106,6% de pendiente. Está situado a unos 80 km de la capital helvética. Este funicular es fruto de la adaptación al uso turístico de un antiguo remonte usado para la construcción del Embalse de Gelmer. Espero que os guste.

16 diciembre, 2013
 
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Universidad Politécnica de Valencia