Contribución a la reducción de los costes de mantenimiento de vías de alta velocidad mediante la opitimización de su rigidez vertical

La experiencia adquirida en las líneas de alta velocidad en explotación comercial ha puesto de relieve la importancia de la rigidez vertical de la vía y en particular la conveniencia de limitar su magnitud para minimizar los esfuerzos transmitidos a la estructura y su consecuente deterioro. Sin embargo, la dispersión de soluciones adoptadas para la superestructura de las líneas de nueva construcción en Europa pone de manifiesto que todavía no existe ningún criterio que establezca cual debe ser la magnitud de diseño de la rigidez vertical de una vía. La presente tesis analiza esta problemática para el caso de vías sobre balasto en el ámbito del diseño de nuevos trazados de alta velocidad. El importante papel de la rigidez vertical en el deterioro de la calidad geométrica de la vía, así como en las resistencias al avance de los vehículos, confirman el interés en lograr un valor de este parámetro que optimice los respectivos costes económicos asociados. En base a los conocimientos disponibles se desarrolla una metodología que permite evaluar dicho impacto económico y a su vez establecer un rango de valores de rigidez vertical óptima en función de la magnitud de los principales parámetros característicos de la línea en estudio (material circulante, condiciones de explotación, coste energético, etc.). Los resultados alcanzados indican que, para una vía de alta velocidad con un importante volumen de tráfico y bajo la perspectiva dual señalada, el valor de rigidez vertical óptimo se sitúa entre 70 kN/mm y 80 kN/mm. Por otra parte, se reflexiona sobre como lograr un diseño estructural de la vía que permita alcanzar el valor óptimo de rigidez vertical en función de las características de la infra-estructura de la línea en estudio. Se evidencia que para una vía típica de alta velocidad, la rigidez de la superestructura ferroviaria debe situarse entorno a 60 kN/mm. A su vez, se analiza la incidencia de las dispersiones de rigidez vertical de la vía a lo largo de un trazado, estableciendo un criterio de máxima variación de ese parámetro entre traviesas consecutivas, que permita prevenir un deterioro acelerado de la vía en zonas puntuales y garantizar la validez del modelo desarrollado. Se comprueba que las máximas variaciones admisibles oscilarían entre 20% y 50% según la rigidez vertical de referencia, criterio muy difícil de cumplir en vías excesivamente rígidas, pero que se cumple siempre si la superestructura ferroviaria corresponde al valor óptimo definido en este estudio.The experience gained since the beginning of commercial operation on high-speed lines has confirmed the importance of the track vertical stiffness parameter and, specially, the need to limit its value to minimize the track stress level and avoid its excessive deterioration. However, the wide range of solutions adopted for the super-structure on the new European high-speed lines confirms that there is still no design criteria that defines clearly what should be the desired vertical stiffness of the track. The aim of this thesis is to approach this issue from the viewpoint of the design of new high speed ballasted tracks. The significance of the track vertical stiffness on the deterioration of its geometrical quality as well as on the energetic consumption of the rolling stock confirms the interest of reaching a value for this parameter that optimise the costs related to both factors. Therefore, this thesis develops a methodology that allows to define a range of this optimum value, based on the most relevant parameters of a given line (rolling stock characteristics, energy cost, running speed, etc.). It is shown that for a high-speed line with a significant traffic volume, the optimum track vertical stiffness threshold, from the mentioned dual perspective, would be situated 70 and 80 kN/mm. In another hand, the study focus on how to reach this optimum value depending on the infra-structure characteristics of the line. It is seen that for a typical high-speed line, the optimum stiffness of the super-structure is about 60 kN/mm. Additionally, an analysis of the influence of track stiffness dispersion along a route is carried out. Based on the results obtained, the establishment of a criteria that limits the maximum variation of this parameter between consecutive sleepers is proposed, as to avoid an accelerated track deterioration on some punctual locations and to guarantee the validity of the developed model. It is shown that the maximum admissible variations would be situated between 20% to 50% depending on the reference stiffness value, a level very difficult to achieve on track with an excessive stiffness, but that is always accomplished if the track super-structure is close to the defined optimum value.Postprint (published version