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.
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).
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:
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
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.
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.
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.
