Reproducción, mediante ensayos a escala real, del efecto en la vía de la circulación ferroviaria a alta velocidad

RESUMEN La importancia del transporte ferroviario en la sociedad actual está fuera de toda duda, exigiéndose cada vez unos valores más elevados de confort y calidad de marcha. Los tiempos de desplazamiento que eran admisibles durante el siglo pasado hoy se han quedado obsoletos, demandándose actualmente velocidades de circulación superiores a 300 km/h para reducir los tiempos “perdidos”. El estudio del efecto en la vía de estas circulaciones a alta velocidad ha adquirido una gran importancia, tanto para permitir el diseño adecuado de las estructuras multicapa a disponer, como para analizar el comportamiento de los materiales a largo plazo. En el presente documento de investigación se describen las diferentes metodologías disponibles para el estudio del efecto de una carga vertical sobre los elementos de la vía, siendo éstos los métodos analíticos, matemático-numéricos y ensayos a escala. Inicialmente se incluye un repaso de las formulaciones analíticas que han servido de base para el diseño de las vías durante los años iniciales del desarrollo del ferrocarril, y que sirven actualmente de control y comparación con otros métodos de cálculo más evolucionados. Posteriormente se analizan los diferentes métodos matemáticos y numéricos que permiten simular el paso de una carga móvil vertical, comparándose los resultados obtenidos con los que presentaban las formulaciones analíticas. Dentro de los métodos matemáticos se incluyen diversos programas elaborados en FORTRAN que consideran los efectos dinámicos de las cargas verticales. En el apartado de los métodos numéricos, se describen los modelos de simulación más avanzados, desarrollándose con detalle un modelo tridimensional de elementos finitos donde se analiza el efecto del giro de tensiones principales que tiene lugar al aplicar una serie de cargas estacionarias desfasadas convenientemente. Por último, en referencia a la metodología de realización de ensayos a escala, se detallan las características de la instalación de ensayos a escala real disponible en el Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX) del Ministerio de Fomento. En dicha instalación se han realizado ensayos estáticos y dinámicos simulando el paso de cerca de cinco millones de ejes ferroviarios, incluyéndose en este trabajo los resultados más significativos obtenidos en los ensayos disponibles que se han interpretado con criterios macromecánicos. Por último, a la luz de los resultados de los ensayos de fatiga del balasto con circulaciones de 360 km/h, se ha realizado un estudio numérico, aprovechando la modelización realizada de la célula de ensayos, donde se han introducido diferentes modificaciones en la estructura metálica de la célula para mejorar su comportamiento en los ensayos dinámicos. El resultado de dichas mejoras se ha contrastado con los ensayos dinámicos oportunos, comprobándose la bondad de las mismas. ABSTRACT Nowadays, the social importance of the railway transportation is accepted without any doubt, and the levels of comfort and operation quality associated to railways are continuously increasing. The travel times that could be considered allowable in the past century are now obsolete and in order to reduce time “losses”, traffic speeds larger than 300 km/h are being asked for. The study of the effects of those circulation speeds on the track itself is then of great importance not only in order to assist in the proper design of the multilayered track structure, but additionally to analyse the long term behaviour of the track materials. The present research document describes the different available methodologies for studying the effect of a vertical load on the track elements, namely analytical, numerical and scale testing techniques. A revision of the analytical formulations that have been the basis for the track design in former years is initially presented. Those formulations are used as means of control and comparison for other methods of analysis more recently developed. The different mathematical and numerical methods, serving to simulate the passage of a moving vertical load, are then analyzed, and the results obtained through their application are compared to those yielded by the analytical formulations. Among the mathematical methods, several computer programs, listed in FORTRAN, are included to calculate the dynamic effects of the vertical loads. The section devoted to the numerical methods includes the most advanced simulation models, developing in full detail a three dimensional model of finite elements where the effect of the principal stresses rotation, occurring during the application of a series of adequately out-of-phase stationary loads, is analysed. Finally, with reference to the scale testing methodology, a description is given of the characteristics of the real scale testing installation, available at the Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX) of the Ministerio de Fomento of Spain. That installation housed the different static and dynamic tests performed to simulate the passage of nearly five million of axles. This study includes the most significant results obtained in the tests available, which have been interpreted on the basis of macroscopic mechanical criteria. The last section of this work shows a numerical study of the fatigue tests of ballast, under circulations at a speed of 360 km/h, where the model of the testing cell has been modified, to introduce the changes physically adopted in the steel structure of the cell in order to improve its behaviour in dynamic tests. The result of those improvements has been checked by means of adequate dynamic tests, verifying the soundness of the changes