ferrocarril – El blog de Víctor Yepes

Modelización y métodos de optimización aplicados al consumo energético en los ferrocarriles

El sector ferroviario, reconocido por su eficiencia energética, sigue siendo objeto de investigación para mejorar su sostenibilidad. Pese a representar solo el 2 % del consumo energético del transporte en Europa, su relevancia en el transporte de mercancías y pasajeros impulsa la investigación para reducir su huella de carbono. La necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la competitividad económica ha llevado a realizar estudios exhaustivos centrados en el consumo energético ferroviario.

Modelización del consumo energético

El modelado del consumo energético permite evaluar y simular el rendimiento de los trenes sin necesidad de realizar pruebas experimentales. Las técnicas de modelado se clasifican principalmente en modelos deterministas y métodos alternativos, como redes neuronales y modelos estocásticos. Estos enfoques permiten analizar múltiples escenarios operativos y optimizar las decisiones estratégicas y operativas.

Modelos deterministas

El enfoque predominante utiliza ecuaciones basadas en la ecuación de Davis, que describe la resistencia al movimiento del tren en función de factores como la velocidad, la masa y la fricción. Su modularidad permite incluir características como frenos regenerativos y sistemas de almacenamiento a bordo. Aunque estos modelos son fiables, requieren numerosos parámetros técnicos, algunos de los cuales son difíciles de obtener debido a su complejidad técnica y a la necesidad de realizar mediciones precisas.

La ecuación de Davis se amplía con frecuencia para incorporar factores como la inclinación de la vía, la resistencia aerodinámica y la fricción en curvas. Estas ampliaciones permiten crear simuladores más detallados que evalúan trayectorias específicas y condiciones operativas complejas. Algunos estudios incluyen incluso el consumo de sistemas auxiliares, como el aire acondicionado y la iluminación, lo que mejora la precisión.

Además, el modelado detallado permite tener en cuenta aspectos como la variación de la masa del tren debida a la carga de pasajeros o mercancías, así como las condiciones meteorológicas y la interacción entre trenes en redes densas. Gracias a estas mejoras, los simuladores no solo evalúan el consumo energético, sino también el impacto de distintas estrategias operativas.

Alternativas al enfoque determinista

Los modelos basados en redes neuronales (Neural Networks) y en técnicas estocásticas (Stochastic Methods) han sido menos explorados, pero ofrecen flexibilidad y pueden manejar incertidumbres como retrasos y cambios en la carga de pasajeros. Las redes neuronales permiten entrenar modelos a partir de grandes volúmenes de datos operativos, lo que les permite aprender patrones complejos que los modelos deterministas podrían pasar por alto. Sin embargo, estos métodos requieren grandes volúmenes de datos y procesos de entrenamiento complejos.

Los modelos estocásticos integran factores aleatorios, como fallos en el sistema y condiciones meteorológicas. Su uso es particularmente relevante en redes ferroviarias densas, donde las interacciones entre trenes generan escenarios difíciles de prever mediante métodos deterministas. Los estudios actuales sugieren que estas técnicas podrían aplicarse a la gestión en tiempo real de las redes ferroviarias para mejorar la eficiencia global.

Métodos de optimización

La optimización del consumo energético ferroviario implica resolver problemas complejos, desde la gestión de perfiles de velocidad hasta la distribución de tiempos de espera y la configuración de infraestructuras. Estos estudios buscan minimizar el consumo energético sin comprometer los tiempos de viaje ni la capacidad operativa.

La formulación de problemas de optimización se basa en variables como los tiempos de viaje, los perfiles de velocidad, el consumo energético y la utilización de las infraestructuras, y su enfoque varía en función de si se optimiza un solo tren o un sistema completo. Las metodologías utilizadas incluyen la optimización unidimensional, que se centra en variables individuales como, por ejemplo, minimizar el tiempo de viaje o el consumo energético, y la optimización multidimensional, que aborda simultáneamente varios factores como el tiempo, el consumo energético, los costos operativos y las emisiones contaminantes. Los problemas de optimización pueden ser estáticos, donde se consideran condiciones fijas, o dinámicos, que ajustan decisiones en tiempo real con datos operativos actualizados.

Los métodos de optimización incluyen la búsqueda directa, que evalúa todas las soluciones posibles y es adecuada para problemas simples con pocos parámetros, y el análisis de principios máximos, que obtiene soluciones exactas mediante ecuaciones matemáticas avanzadas, aunque para ello sea necesario realizar simplificaciones y hacerlos computacionalmente viables. Las metaheurísticas, inspiradas en procesos naturales, se utilizan ampliamente por su capacidad para gestionar espacios de solución complejos. Entre ellas destacan los algoritmos genéticos, que han demostrado su versatilidad y eficacia en numerosos estudios. También se emplean técnicas como la optimización por enjambre de partículas y la optimización por colonias de hormigas, que son útiles en problemas específicos como, por ejemplo, la asignación de horarios y rutas óptimas. Además, la optimización basada en aprendizaje combina aprendizaje individual y colectivo para mejorar los resultados en contextos operativos cambiantes.

Los métodos de optimización también incluyen técnicas como la programación lineal, la programación dinámica y los algoritmos híbridos, que combinan diferentes enfoques para superar las limitaciones de cada uno de ellos. Las técnicas más avanzadas integran sistemas de inteligencia artificial y algoritmos de predicción para ajustar dinámicamente los parámetros operativos.

Discusión y análisis estadístico

Un análisis estadístico muestra que los modelos deterministas predominan debido a su precisión y facilidad para incluir múltiples factores. En optimización, los algoritmos genéticos son ampliamente preferidos, aunque métodos como la optimización por enjambre de partículas han demostrado ser eficaces en ciertos problemas.

Estudios recientes sugieren la posibilidad de combinar diferentes algoritmos para cubrir todo el espacio de soluciones y abordar problemas complejos que incluyen interacciones entre múltiples trenes y redes ferroviarias completas. Estas estrategias son esenciales para implementar operaciones ferroviarias completamente autónomas y sostenibles.

Además, el uso de análisis estadísticos avanzados, como el análisis de correspondencias y el modelado predictivo, permite identificar patrones ocultos y mejorar la precisión de los modelos y algoritmos utilizados.

Conclusión

La combinación de modelos deterministas y técnicas complementarias podría mejorar la precisión de los estudios. En optimización, el desarrollo de enfoques híbridos que combinen diferentes algoritmos metaheurísticos podría suponer un gran avance en la gestión energética ferroviaria. La integración de datos en tiempo real y técnicas de aprendizaje automático (Machine Learning Techniques) podría revolucionar el campo y llevar a sistemas ferroviarios más sostenibles y eficientes.

Referencia:

MARTÍNEZ-FERNÁNDEZ, P.; VILLALBA-SANCHÍS, I.; YEPES, V.; INSA-FRANCO, R. (2019). A review of modelling and optimisation methods applied to railways energy consumption. Journal of Cleaner Production, 222:153-162. DOI:10.1016/j.jclepro.2019.03.037

Os dejo la versión autor del artículo, para su consulta.

Descargar (PDF, 517KB)

Evaluación del ciclo de vida social de las alternativas de subestructura ferroviaria

Acaban de publicar un artículo en el Journal of Cleaner Production, revista indexada en el primer decil del JCR. El estudio presenta indicadores sociales diseñados para evaluar el ciclo de vida de las infraestructuras ferroviarias y evalúa los impactos sociales de tres soluciones comunes de este tipo subestructura. La investigación tiene como objetivo determinar la alternativa de diseño más ventajosa desde el punto de vista social para la infraestructura ferroviaria, haciendo hincapié en la importancia de tener en cuenta los factores sociales junto con las dimensiones económicas y ambientales en el desarrollo sostenible. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El estudio utilizó el proceso de redes analíticas (ANP) para sintetizar el desempeño social de las diferentes soluciones de subestructuras en un solo indicador de comparación. La investigación recopiló datos de inventario de las bases de datos oficiales del territorio español para evaluar los indicadores basados en el contexto social. El documento estableció una colección de criterios mensurables y seleccionó seis indicadores sociales basándose en las «directrices» y las fichas metodológicas para las subcategorías de la evaluación del ciclo de vida social. La metodología introducida en la investigación se puede aplicar en la evaluación de los impactos sociales en varios proyectos de infraestructura más allá de los ferrocarriles, como puentes, carreteras o estructuras portuarias, lo que mejora la aplicabilidad de la evaluación del ciclo de vida social.

Las contribuciones más destacables de este trabajo son las siguientes:

Introduce indicadores sociales diseñados para evaluar el ciclo de vida de las infraestructuras ferroviarias.
Evalúa los impactos sociales de tres soluciones frecuentes de subestructura de vías férreas.
Destaca la importancia de considerar los factores sociales junto con las dimensiones económicas y ambientales en el desarrollo de infraestructuras sostenibles.

ABSTRACT

The sustainable design of infrastructure involves assessing economic, environmental, and social impacts. While significant progress has been made in evaluating economic and environmental life cycle impacts since the Paris Agreement, there’s a notable gap in techniques for assessing social aspects in infrastructure design. This study introduces social indicators tailored for evaluating the lifecycle of railway infrastructures. The indicators are applied to assess the social impacts of three common railway track substructure solutions: conventional ballasted track, embedded slab track (BBEST solution), and sleeper-based, ballastless (RHEDA2000) substructure solutions. Using the Analytic Network Process (ANP), the social performance of each alternative is synthesized into a single indicator for comparison. Results indicate that the conventional ballasted track outperforms, scoring 12% higher than BBEST and 61% better than RHEDA in social terms. This is attributed to its reliable capacity for generating high-quality employment and fostering economic activities in the defined product system regions.

KEYWORDS:

Social life cycle assessment; Railway; ANP; Sustainability; Multi-criteria decision-making; Sustainable design.

REFERENCE:

NAVARRO, I.J.; VILLALBA, I.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J. (2024). Social life cycle assessment of railway track substructure alternatives. Journal of Cleaner Production, 450:142008. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.142008.

Os dejo el artículo para su descarga, pues está publicado en abierto.

Descargar (PDF, 5.96MB)

Optimización de la vía en placa mediante metamodelos para mejorar la sostenibilidad de la construcción ferroviaria

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Construction Engineering and Management-ASCE, revista indexada en el primer cuartil del JCR. Se trata de optimizar la vía en placa mediante metamodelos para mejorar la sostenibilidad de la construcción ferroviaria. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Este artículo no está publicado en abierto, pero podéis encontrarlo, solicitándolo, en esta dirección: https://www.researchgate.net/publication/360243758_Slab_Track_Optimization_Using_Metamodels_to_Improve_Rail_Construction_Sustainability o bien descargarlo directamente de la página web de ASCE: https://ascelibrary.org/doi/full/10.1061/%28ASCE%29CO.1943-7862.0002288

El ferrocarril es un medio de transporte eficaz, sin embargo, la construcción y el mantenimiento de las vías férreas tienen un impacto medioambiental importante en términos de emisiones de CO2 y uso de materias primas. Esto es especialmente cierto en el caso de la vía en placa, pues necesitan grandes cantidades de hormigón. También son más caras de construir que las vías convencionales con balasto, pero requieren menos mantenimiento y presentan otras ventajas que las convierten en una buena alternativa, especialmente para las líneas de alta velocidad. Para contribuir a un ferrocarril más sostenible, este trabajo pretende optimizar el diseño de una de las tipologías de vía en placa más comunes: RHEDA 2000. El objetivo principal es reducir la cantidad de hormigón necesaria para construir la losa sin comprometer su rendimiento y durabilidad. Para ello, se utilizó un modelo basado en el método de los elementos finitos (MEF) de la vía, emparejado con un metamodelo de kriging que permite analizar múltiples opciones de espesor de la losa y resistencia del hormigón de forma puntual. Mediante kriging, se obtuvieron soluciones óptimas que se validaron a través del modelo MEF para garantizar el cumplimiento de las restricciones mecánicas y geométricas predefinidas. Partiendo de una configuración inicial con una losa de 30 cm de hormigón con una resistencia característica de 40 MPa, se llegó a una solución optimizada, consistente en una losa de 24 cm de hormigón con una resistencia de 45 MPa, que arroja una reducción de costes del 17,5%. Este proceso puede aplicarse ahora a otras tipologías de losas para obtener diseños más sostenibles.

Abstract:

Railways are an efficient transport mode, but building and maintaining railway tracks have a significant environmental impact in terms of CO2 emissions and the use of raw materials. This is particularly true for slab tracks, which require large quantities of concrete. They are also more expensive to build than conventional ballasted tracks, but require less maintenance and have other advantages that make them a good alternative, especially for high-speed lines. To contribute to more sustainable railways, this paper aims to optimize the design of one of the most common slab track typologies: RHEDA 2000. The main objective is to reduce the amount of concrete required to build the slab without compromising its performance and durability. To do so, a model based on the finite-element method (FEM) of the track was used, paired with a kriging metamodel to allow analyzing multiple options of slab thickness and concrete strength in a timely manner. By means of kriging, optimal solutions were obtained and then validated through the FEM model to ensure that predefined mechanical and geometrical constraints were met. Starting from an initial setup with a 30-cm slab made of concrete with a characteristic strength of 40 MPa, an optimized solution was reached, consisting of a 24-cm slab made of concrete with a strength of 45 MPa, which yields a cost reduction of 17.5%. This process may be now applied to other slab typologies to obtain more sustainable designs.

Keywords:

Slab track; Optimization; Latin hypercube; Kriging; Finite-element method (FEM).

Reference:

MARTÍNEZ FERNÁNDEZ, P.; VILLALBA SANCHIS, I.; INSA FRANCO, R.; YEPES, V. (2022). Slab track optimisation using metamodels to improve rail construction sustainability. Journal of Construction Engineering and Management, 148(7):04022053. DOI:10.1061/(ASCE)CO.1943-7862.0002288

La Guerra de Crimea, Bessemer y el acero estructural

Sir Henry Bessemer (1813-1898). https://es.wikipedia.org/wiki/Henry_Bessemer

No es casual que un conflicto bélico y el despegue de la industria armamentística provoquen crisis de calado que acelera y transforma, paradógicamente, la calidad de vida en muchos países. La Guerra de Crimea (1853-1856) empezó y concluyó en medio de una auténtica revolución debida a Sir Henry Bessemer. Fue este ingeniero inglés el que, hacia 1855, descubrió en Inglaterra la posibilidad de afinar el arrabio procedente de los altos hornos, patentando el proceso ese mismo año. Eso cambió profundamente la industria armamentística, pero también la civil, con la construcción de barcos, ferrocarriles, edificios industriales y puentes. Fue el inicio de la Era del Acero.

Pero vayamos por partes. La Guerra de Crimea enfrentó al Imperio ruso y al reino de Grecia contra una coalición formada por el Imperio otomano, Francia, Gran Bretaña y el reino de Cerdeña. El origen de la guerra puede encontrarse en la decadencia del Imperio otomano y el expansionismo ruso, que acrecentaron el temor de Francia y Gran Bretaña de que el Imperio otomano se desmoronase y pasase a ser un vasallo ruso. El conflicto terminó con la derrota de Rusia. Se puso fin al orden europeo surgido del Congreso de Viena, resurgió Francia como potencia, el Imperio austríaco entro en declive y Rusia empezó reformas como la abolición de la servidumbre y cambios en la estructura, reclutamiento y entrenamiento de su ejército. Pero lo que más nos interesa en este artículo es resaltar que la de Crimea fue la primera guerra moderna que utilizó nuevas tecnologías como el ferrocarril, el barco de vapor, el telégrafo, la fotografía y una nueva generación de fusiles. “Agua, sol y guerra en Sebastopol” es un viejo dicho de los agricultores castellanos con motivo de la Guerra de Crimea. El agua y el sol multiplicaban las cosechas y la guerra cerraba la salida del trigo de las estepas ucranianas y rusas cuando se bloqueaba el puerto de Sebastopol. Esta guerra propició la subida del precio del cereal español y era motivo de alegría de sus agricultores.

En plena Guerra de Crimea, Inglaterra buscaba producir acero más resistente y en grandes cantidades, pues algunos cañones no resistían el calibre de determinados disparos. A Bessemer se le ocurrió insuflar aire a través del baño fundido en los recipientes o convertidores asociados a su nombre. La revolución tecnológica ocurrió en ese mismo momento. Los altos hornos eran capaces de producir arrabio, fundición líquida de las menas del hierro, pero con el inconveniente de presentar contenidos de carbono entorno al 4%. Este arrabio, una vez enfriado, daba lugar a un material de gran dureza pero muy frágil, que solo era apto para moldear piezas de fundición. Pero la inyección de aire presurizado por el fondo del alto horno provocaba la reducción por oxidación del carbono, el silicio y el fósforo del arrabio, dando lugar a la producción del acero en cantidades industriales, con un contenido en carbono inferior al 0,25%. Con su innovación, solo en 25 minutos se podía convertir 25 toneladas de hierro en acero.

Convertidor Bessemer, Kelham Island Museum, Sheffield, Inglaterra (2002). https://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_Thomas-Bessemer

Este nuevo proceso productivo disparó la demanda de acero en cantidad y calidad, especialmente con el ferrocarril de la época. Hoy día existen procedimientos más eficientes que los convertidores Bessemer, como los convertidores de oxígeno y los hornos eléctricos. Pero la revolución fue imparable. El acero de calidad permitió una auténtica revolución en la construcción con este nuevo material, el acero estructural.

Hoy en día, los convertidores de oxígeno y los hornos eléctricos acaparan la producción mundial de acero. Se vierte el material en lingoteras de fundición para introducirse en trenes de laminación que conforman, por etapas, chapas, carriles y perfiles laminados. La introducción de sistemas continuos de laminación está eliminado las lingoteras, simplificando los procesos y facilitando la aplicación de los tratamientos térmicos.

En este vídeo os dejo una breve semblanza de Bessemer y su invención.

Os dejo varios vídeos de producción del acero.

Premio TORRECID al mejor Trabajo Final de Grado de la Universidad Politécnica de Valencia para Alejandro Ferrero Montes

Alejandro Ferrero Montes, durante la presentación de su TFG

Es un placer anunciar que Alejandro Ferrero Montes ha ganado el Premio Torrecid al mejor Trabajo Final de Grado de la Universitat Politècnica de València. Dicho TFG tuve el placer de dirigirlo junto con el profesor Julián Alcalá González.

Su título fue “Estudio de soluciones mediante criterios de sostenibilidad y análisis de ciclo de vida de un paso superior, tipo pérgola, de la LAV Madrid – Levante, en el término municipal de Parla (Madrid)“. Dicho TFG se defendió el 15 de septiembre de 2020.

La empresa TORRECID es consciente de que las personas son la base de cualquier tipo de actividad, y de su formación depende el desarrollo futuro de las empresas y de la sociedad. Por eso uno de sus objetivos es fomentar habilidades emprendedoras y mentalidad internacional entre los estudiantes de la UPV para proporcionar futuros líderes empresariales, que basándose en el campo de la cerámica y el vidrio, puedan abrir nuevos caminos en estos u otros sectores, según cláusula primera del convenio UPV-Cátedra Fundación Torrecid.

La Cátedra Torrecid (recientemente Cátedra Fundación Torrecid), fue creada en 2015, dentro del marco de la colaboración estrecha que desde 1980 viene teniendo la empresa Torrecid con la Universitat Politècnica de València, reflejado en el convenio de colaboración entre la UPV y la empresa TORRECID.

Paso superior, tipo pérgola, de la LAV Madrid – Levante, en el término municipal de Parla (Madrid)

RESUMEN

El transporte es un factor principal en emisiones de GEI a nivel global. Se fomenta el uso del ferrocarril como medio de transporte, debido a su eficiencia energética, minimizando dichos impactos. Pero la implementación del ferrocarril como medio de transporte requiere la construcción de importantes infraestructuras, cuya ejecución causa grandes impactos. Se pretende reducirlos planteando un estudio de soluciones mediante el uso de técnicas multicriterio, que considere la economía, el medio ambiente y la sociedad, para puentes de ferrocarril de tipología pérgola. Se emplea la metodología de Análisis de Ciclo de Vida, evaluando las fases que conforman el Ciclo de Vida de cada alternativa. Se ha aplicado en una pérgola de la Línea de Alta Velocidad Madrid – Levante, ubicada en Parla (Madrid). Se evalúan tres alternativas distintas: una de ejecución in situ, otra por elementos prefabricados y una de concepción mixta, con la finalidad de seleccionar la solución más sostenible.

Os dejo a continuación un resumen extendido del TFG. Como podéis comprobar, el nivel del trabajo es muy alto. Obtuvo la máxima calificación de Sobresaliente, 10 Matrícula de Honor.

Descargar (PDF, 548KB)

Análisis del ciclo de vida del balasto frente a la vía en placa en líneas ferroviarias de alta velocidad

Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer cuartil, Environmental Impact Assessment Review, un artículo donde se analiza el ciclo de vida del balasto frente la alternativa de vía en placa. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación DIMALIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE hasta el 7 de septiembre de 2020 en el siguiente enlace:

https://authors.elsevier.com/a/1bQbriZ5t2ZYO

ABSTRACT:

The increase of train speed and axle load is an essential goal to make the railway transport more and more competitive for passengers and freights. On this basis, the unevenness of the railway track is crucial for the safety of the railway due to the high speed of the vehicle. Although ballasted tracks represent by far the most used railway track substructure, in recent years the modernization process has led the development of the ballastless track substructures.

In deciding between the use of ballasted or ballastless track substructure there are many important technical, economical and environmental factors that have to be addressed. Based on the above, the principal objective of this study was to evaluate the environmental impact of different railway track substructures including ballast, cast-in sleeper and embedded track systems on the short, medium and long term. To accomplish this task, a life cycle assessment (LCA) was carried out throughout the entire life cycle of the railway infrastructure by using the ReCiPe (H) method. Although such approach is commonly included in the environmental assessment of building products and buildings, it was rarely applied in the analysis of the environmental impacts of railway track substructure.

Thus, the result of these LCA showed that ballasted tracks cause the lowest environmental impact for service lives of up to 75 years. On the other hand, the embedded track beds cause the highest environmental impacts, regardless of their service life. The highest contributor for the environmental impacts of the track beds was the steel production.

The results of this study will provide relevant environmental information for engineers and decision makers to select the most adequate railway track substructures for addressing issues related to the pursuit of sustainable development.

HIGHLIGHTS:

Rail construction and maintenance phases should not be neglected in LCA approach.
LCA of rail track require more standardized assessment procedures.
Environmental LCA of different railway track substructures were analyzed.
Damage categories have been normalized for the total environmental impact.
Future LCA of rail projects should also consider the time effect.

KEYWORDS:

Life cycle assessment (LCA); High speed railway (HSR); Railway infrastructure; Railway track-bed

REFERENCE:

PONS, J.J.; VILLALBA-SANCHIS, I.; INSA, R.; YEPES, V. (2020). Life cycle assessment of a railway tracks substructures: comparison of ballast and ballastless rail tracks. Environmental Impact Assessment Review, 85:106444. DOI:10.1016/j.eiar.2020.106444

Puente del Barranco de la Batalla, en Alcoy (Alicante)

Puente del Barranco de la Batalla. Imagen: V. Yepes (2019)

En esta entrada vuelvo a contar algunas anécdotas sobre las infraestructuras que rodean Alcoy, cuna de muchos ingenieros de caminos, entre los que me incluyo. Este puente ferroviario, de la malograda línea de ferrocarril entre Alicante y Alcoy, forma parte de un valioso conjunto de viaductos realizados a finales de los años veinte.

El puente que describimos a continuación, recibe varios nombres, como el puente del Barranco de la Batalla, del Barranco de San Antonio, e incluso, puente de las Siete Lunas. Sin embargo, ésta última acepción lo confunde con el verdadero puente formado por siete arcos que se encuentra dispuesto paralelo al que vamos a describir, a 20 m aguas abajo, en la carretera N-340 entre Alcoy y Alicante. Asimismo, también se llama “de las Siete Lunas” el viaducto más espectacular de todo el trazado ferroviario, que es el situado sobre el río Polop. Es sugerente el nombre de “Barranco de la Batalla”, pues rememora la revuelta entre mudéjares y cristianos en la que el caudillo andalusí Al-Azraq quiso reconquistar la ciudad de Alcoy y que, según la leyenda, tuvo lugar la aparición de San Jorge. De esta tradición surge la famosa fiesta de Moros y Cristianos, declarada de Interés Turístico Internacional. Pero eso es otra historia.

La idea de una linea de ferrocarril entre Alcoy y Alicante tuvo su primer impulso con la Primera República, que el 10 de mayo de 1873 adjudicó el proyecto. Posteriormente, hubo diferentes iniciativas en 1900 y 1902, así como otra del Ayuntamiento de Alcoy en 1908. Tendría que llegar el gobierno de Primo de Rivera, y su ministro de Obras Públicas el conde de Guadalhorce, para que este proyecto se declaró prioritario en un plan nacional.

Este puente, al igual que todos los de la línea férrea, tuvo sus orígenes el la R.O. de 5 de marzo de 1926, en el “Plan preferente de ferrocarriles de urgente construcción“, el conocido como Plan Guadalhorce. Se trataba de 66,200 km de trazado que comprendía la explanación general, obras de fábrica y túneles, y cuyo proyecto lo redactó el ingeniero de caminos D. José Roselló Martí en 1927, puesto que estaba destinado en la 3ª jefatura de Estudios y Construcciones de Ferrocarriles del Sureste de España. Roselló se basó en un proyecto previo de D. Próspero Lafarga, que incluía viaductos metálicos de tramos rectos de 50 m de luz, pero que cambió por viaductos en arco de hormigón armado, más baratos. Aunque la obra empezó y se construyeron túneles y puentes, la crisis de la época paralizó la mayoría de obras en curso, incluida ésta. Nunca más se retomó la obra, aunque hoy día tenemos una fantástica Vía Verde para el disfrute de todos los aficionados. Ya hablamos de este tema en una entrada anterior de este blog.

Centrándonos en este puente, diremos que tiene una longitud de 69 m y una altura máxima de 20 m sobre el cauce. Se trata de un arco rebajado de 44 m de cuerda y 8,80 m de flecha. En los arranques su espesor es de 1,50 m que se reduce a 1,10 m en la clave, siendo su ancho de 3,60 m. La rasante tiene una pendiente ascendente del 2,1%. Se trata de una obra que salva la dificultad del estrecho paso entre dos túneles de 900 y 1200 m de longitud. El entorno es de roca caliza competente, lo cual permitió esta tipología de arco. Se utilizó un procedimiento constructivo basado en dos castilletes de celosía y poleas diferencias para el montaje de las cimbras y cerchas metálicas. Las cimbras que se utilizaron aquí fueron modificadas de las que se usaron en el viaducto del Cint, en la misma línea. El lector que se interese mayor documentación sobre éste y otros acueductos de esta línea ferroviaria, puede consultar la Revista de Obras Públicas año 1929, páginas 349, 365 y 381.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Construcción del viaducto de O Eixo

El viaducto de O Eixo se encuentra situado en el amplio valle, que forma el Rego de Aríns, entre las localidades de O Eixo de Arriba y O Eixo de Abajo, de las que recibe su nombre. Forma parte del corredor norte-noreste del tren de alta velocidad Lalín-Santiago (A Coruña). Tiene una longitud total de 1.224,4 m repartidos en 25 vanos con luces de 42,5 + 25 x 50 + 39,10 m. Presenta un canto variable de 4,0 a 2,75 m y un ancho de tablero de 14,0 m. Las pilas, que varían entre 9 y 84 m de altura, son de sección octogonal de 5,5 m de anchura y variable en altura. Ocupando los vanos 12 y 13 se proyecta un arco ligeramente ojival donde se materializa el punto fijo.

En cuanto al proceso constructivo, cabe destacar que las pilas se ejecutaron mediante encofrado trepante, mientras que el tablero se construyó mediante cimbra autolanzable y ejecución vano a vano. El hormigonado se ejecutó en dos fases. En la primera se hormigona toda la sección compuesta por la tabla inferior y las almas. En la segunda fase se hormigona la losa superior. Posteriormente se introduce el postensado de la misma y se le da continuidad con los siguientes vanos mediante el cruce de tendones en los frentes de fase, evitando de esta manera disponer conectadores.

El arco se ejecutó en dos mitades ejecutadas por separado, ubicando cada uno de los semiarcos en vertical junto a las pilas 11 y 13. Una vez hormigonados los dos semiarcos realizó el giro de ambos por medio de unas rotulas metálicas ubicadas junto a las zapatas. Una vez colocados los dos semiarcos en su posición definitiva se hormigona la zona de empotramiento con la zapata uniendo las armaduras de espera de la pila con las de la zapata, utilizando manguitos. Dicha rótula quedará embebida posteriormente al hormigonarse la zona de empotramiento, pila-encepado.

Los semiarcos quedan fijos entre sí mediante el hormigonado de una zona de unión de ambos y con armadura pasiva. El arco una vez monolítico lleva en su parte superior un tetón de hormigón armado que quedará solidarizado con un hueco dejado en el tablero mediante un pretensado vertical y otro horizontal que se tesará en la fase correspondiente, es decir, una vez realizado el tesado de la fase 12.

Una descripción completa la podéis ver en el siguiente enlace: http://e-ache.com/modules/ache/ficheros/Realizaciones/Obra109.pdf

También os aconsejo el siguiente link de Xosé Manuel Carreira: http://notonlybridges.blogspot.com.es/2008/01/bridge-for-our-high-speed-train.html

Para aclarar estos aspectos constructivos, os dejo un vídeo donde se describen las peculiaridades, especialmente la construcción del arco. Espero que os guste.

También os dejo un vídeo (en gallego) sobre el viaducto:

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

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.

Os dejo también la Guía Técnica de IECA sobre “Vía en placa mediante losa portante de hormigón para ferrocarril”. Espero que os sea útil.

Descargar (PDF, 3.62MB)

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.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Construcción de un paso inferior bajo vía

En 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.