Se licitan estudios técnicos para determinar si es posible el uso del TAV y las mercancías en la misma vía

El blog Geotren, dedicado a la información sobre el ferrocarril en el Estado Español, nos sorprende hoy con un texto en el que se destapa la poca información que tiene Adif sobre la utilización conjunta de vías de Alta Velocidad para el uso mixto de viajeros y mercancías. Es importante recordar que las ya comenzadas obras de la Y-vasca y el Corredor Navarro de Alta Velocidad se han proyectado como vías mixtas. Sin embargo, como se verá a continuación, los técnicos aun no saben si se podrán utilizar como tales, y para determinarlo han licitado una serie de estudios, por un valor total de casi 430.000 euros. Hay algo mas de información sobre esta licitación en la web de Adif, concretamente en este anuncio, con una versión PDF mas informativa, y una serie de documentos adjuntos que no son de acceso público. Suponemos que de estos últimos sale la información publicada en Geotren, y que transcribimos a continuación...

LAV Mixta: Análisis técnico de las limitaciones de explotación.

Publicado el 19 septiembre, 2012 por geotren

En el desarrollo de la red de alta velocidad se ha estado hablando en multitud de ocasiones de la "LAV mixtas". A día de hoy no existen en servicio ninguna línea de alta velocidad en el que un tren de alta velocidad circule a más de 250 km/h y a la vez se cruce con un mercante en el sentido contrario, tanto en superficie como en túnel.

Recientemente el ADIF acaba de licitar la redacción de estudio técnico sobre el estudio precisamente sobre este tema:

Los datos generales de esta licitación son los siguientes:

Independientemente de consideraciones relativas al Incremento del coste de mantenimiento de la vía y de las condiciones geométricas del trazado, la posibilidad de explotar líneas de alta velocidad con tráfico mixto (viajeros y mercancías) se enfrenta a una nueva problemática desde el punto de vista de la Aerodinámica.

El objeto de este contrato es precisamente el análisis desde el punto de vista aerodinámico del cruce de trenes de alta velocidad y mercancías para llegara establecer una serie de recomendaciones dirigidas a imponer una velocidad de cruce máxima, la cual dependerá, entre otros factores, del tipo de vagón además de las propias velocidades de cruce.

En el cruce de un tren rápido con otro lento, y de forma más concreta, en el cruce de un tren de alta velocidad con uno de mercancías, se generan fuerzas y momentos que pueden afectar tanto a la estabilidad de los propios trenes, como a Ia estabilidad de la carga dependiendo de los tipos de configuración.

El análisis se deberá plantear en el ámbito de Ia Aerodinámica a cielo abierto (cruces a plena vía) y en el ámbito dela Aerodinámica en túnel (cruces en túnel).

2.1. CRUCES A PLENA VÍA

La ficha UIC 779-1 trata sobre los efectos aerodinámicos que se producen al paso de un tren sobre un elemento estático. Las presiones que se producen son función de la distancia y de la velocidad del tren a través de una fórmula dada en dicha ficha. En todo caso, el conocimiento y normalización de estos fenómenos, a diferencia del cruce en túnel, es mayor, pudiéndose apoyar en los estudios actualmente realizados.

2.2. CRUCES EN TÚNEL

La problemática de los cruces de trenes dentro de un túnel está asociada a la variabilidad de los gradientes de presión que experimentan las distintas partes del tren que son función, fundamentalmente, de la longitud del túnel, de su sección. de las dimensiones de los trenes (sección y longitud) y de su perfil aerodinámico. además de las velocidades de circulación. A estos parámetros conocidos se añade la incertidumbre del desfase de la entrada de los trenes por lo que se calculan considerando el desfase crítico que es aquel que genera las máximas variaciones de presión en los trenes. El criterio establecido por la ETI del subsistema infraestructura respecto al cálculo de las secciones de los túneles. es el criterio de salud para los pasajeros y personal de servicio en el tren. Adicionalmente se considera un criterio de confort que limita las variaciones de presión a que pueden estar sometidas las personas dentro del tren. En general la sección transversal de los túneles han sido calculadas con estas consideraciones y por tanto no se genera ningún problema con los cruces de los trenes de viajeros.

En general las presiones en valores absolutos que se producen en el interior de los túneles son muy superiores a las que se producen en plena vía.

A la problemática anterior, y para el caso de cruce de un tren de alta velocidad con un tren de mercancías dentro de un túnel, una consideración adicional y de extraordinaria importancia es la seguridad estructural de los vagones del tren de mercancías y/o la integridad del cargamento. Es la velocidad del tren de alta velocidad la generadora de las máximas variaciones de presión. no siendo muy importante la velocidad del tren de mercancías.

Dada la complejidad de calcular las máximas solicitaciones a que puede estar sometido elementos estructurales o de amarre de los diversos tipos de vagones, y dada la potencial incidencia sobre la seguridad en el tránsito de los túneles, las administraciones ferroviarias que llenen este tipo de explotación mixta han adoptado un planteamiento razonablemente conservador, evitando los cruces en los túneles o limitando la velocidad de los trenes de viajeros a velocidades convencionales (tráfico mixto nocturno con cruces con trenes de viajeros a velocidad de 200 km/h).

El alcance de los estudios son los siguientes:

3. ALCANCE

El alcance del presente contrata engloba diferentes fases principales:

  1. Fase de ANÁLISIS PREVIOS.
  2. Fase de CÁLCULOS NUMÉRICOS.
  3. Fase de ENSAYOS EXPERIMENTALES.
  4. Fase de CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES.

El licitador deberá considerar en su alerta una descripción detallada de cada una de estas fases, pudiendo alterar su orden de ejecución previa justificación técnica. En todo caso y según se ha indicado, se respetará escrupulosamente la separación en las cuatro fases mencionadas.

La fase de análisis previos ayudará a la preparación y realización de los ensayos, así como a la definición de los escenarios de cálculo que previsiblemente conducirán a las mayores solicitaciones en los vagones. Se tratará que dichas escenarios sean lo más representativos del problema real. Esta fase también ayudará a ubicar el lugar de ensayos.

Con objeto de optimizar los análisis de cruce. en la fase de cálculos numéricos se deberán emplear sistemas de cálculo CFD (Computational Fluids Dynamics a Dinámica de Fluidos Computacional) pues permiten analizar con bastante precisión teórica las presiones que se pueden generar en las distintas partes de las vagones de mercancías, así como los esfuerzos que se generan en las partes más críticas de la estructura resistente de los mismos. Los análisis se realizarán teniendo en cuenca escenarios de cruce tanto a cielo abierto como en túnel. Los modelos numéricos se calibrarán con los resultados de los ensayos experimentales.

En la fase de conclusiones y recomendaciones se establecerán las conclusiones, encaminadas a establecer una serie de requisitos relacionados con la velocidad de cruce entre ambos tipos de trenes y que darán lugar a establecer una normativa específica que regule las condiciones de explotación de la líneas mixtas.

En los siguientes apartados se detallan las tareas a realizar en cada fase.

3.1. FASE DE ANÁLISIS PREVIOS

El objetivo es acotar el número de variables involucradas en el problema y definir los valores para los parámetros deterministas.

En esta fase se realizará un análisis de las diferentes líneas ferroviarias de Adif en las que se prevea explotar con tráfico mixto. De este análisis se extraerán posibles datos que permitan complementar la investigación posterior a esta fase: Zonas críticas de cruce, características de túneles, etc.

El análisis tendrá en cuenta, no solo las líneas actuales en servicio o próximas a estarlo, sino también todas aquellas previsiones de corredores futuros contenidas en los diferentes planes de Infraestructuras en vigor, incluido el PEIT.

En esta fase se deberá también identificar los vagones que podrán circular por lineas de alta velocidad de Adif. Este análisis se realizara" conjuntamente con las empresas de transporte ferroviario involucradas, El objetivo de este análisis concreto es conocer la resistencia estructural de cada vagón de forma que se puedan analizar los esfuerzos a los que se verán sometidos según las distintas hipótesis de cruce. Además, se deben considerar las distintas clases de lonas de protección en algunos transportes, y los tipos de anclaje para las distintas cargas.

Las variables que, como mínimo, deberán tenerse en cuenta son las siguientes: Geometría de los dos trenes que se cruzan, velocidades de los dos trenes, sección libre del túnel, longitud del túnel, coeficiente de rozamiento de la pared del túnel, coe?cientes de rozamiento de los trenes, distancia entre ejes de vía, desfase en la entrada de los trenes al túnel, características de los anclajes de cargas y de los mecanismos de bloqueo de puertas de los vehículos ferroviarios, altura del terraplén, ángulo y velocidad del viento lateral y tipo de vía. También se incluirán otras variables que tengan influencia en los resultados de los ensayos y en las simulaciones numéricas.

De esta fase analítica se obtendrán, no sólo conclusiones a considerar en las fases posteriores de ensayos y de simulaciones, sino también especi?caciones que puedan ser contempladas en futuros proyectos o sobre los que están en fase de avance, siempre que el escenario temporal sea compatible para tomar dichas conclusiones en consideración.

3.2. FASE DE CÁLCULOS NUMÉRICOS

El objetivo de esta fase es obtener el campo fluido del escenario de explotación considerado. Con él se dispondrá de la evolución temporal de la presión y la velocidad en cualquier punto del espacio. Por integración, será posible obtener fuerzas y momentos aerodinámicos de cualquier superficie en función del tiempo. con ello se obtendrán los resultados concretos a especificar como por ejemplo pares de vuelco, cargas máximas en amarres de vagones de mercancías, cargas de fatiga, etc.

En esta fase de deberán realizar cálculos CFD para determinar la interacción entre los trenes cuando están cruzándose. Debido a la naturaleza del problema, será necesaria una elevada capacidad computacional, tanto en tiempo de cálculo como en términos de memoria. Todo ello viene fundamentado en que se desea resolver un problema turbulento no estacionario en un dominio computacional de gran tamaño (consecuencia de modelar con dominios móviles el cruce de dos trenes (longitud característica del orden de cientos de metros) a gran velocidad (velocidades típicas relativas superiores al centenar de metros)). Al menos para las simulaciones en túnel, se deberán resolver las ecuaciones para flujo compresible. los modelos empleados deben tener la discretización adecuada para cumplir los objetivos de la investigación.

Esta fase de desarrollo de la herramienta de cálculo. podrá dividirse en varias tareas tales como:

  • Planificación de simulaciones. El objetivo es definir las bandas de variación de las variables del análisis y de los parámetros del modelo CFD.
  • Generación de modelos numéricos. Esta tarea consistirá en la generación de mallas para las diferentes configuraciones.
  • Resolución de los sistemas de ecuaciones. El objetivo es la obtención de los valores de las incógnitas en cada paso de tiempo.
  • Calibración de las modelos. El objetivo es minimizar las diferencias entre los datos experimentales y los numéricos variando los parámetros del modelo CFD y en su caso modificando la propia malla de cálculo. En base a los resultados obtenidos se revisarán los escenarios de cálculo planteados.
  • Realización de las simulaciones correspondientes a todos los escenarios definidos. Se repetirán los pasos de generación de modelos y resolución de los sistemas de ecuaciones para todos los casos de simulación planificados.
  • Interpretación de los resultados. El objetiva es identificar los valores de las variables que intervienen y que conducen a las situaciones más desfavorables.

Una actividad propia de esta fase es el modelado de los trenes. Para la realización de este trabajo es necesario modelizar el tren de alta velocidad en servicio que mas se aproxime al considerado corno límite interoperable definido por la ETI del subsistema material rodante y el criterio de salud. Respecto a su longitud. se deberá investigar su influencia. Si la influencia de la longitud no fuera apreciable, se utilizará la mínima representativa. En el caso de que fuese importante. se considerarán las longitudes típicas de 200 y 400 metros establecidas por la ETI.

Con respecto al modelado del tren de mercancías, se modelizará una locomotora junto con una serie de vagones representativos de los diferentes transportes mas probables, tales como:

  • Transporte de un contenedor por vagón.
  • Transporte de varios contenedores en un vagón.
  • Transporte de vehículos turismo.
  • Otro tipo de transporte que se considere importante.

La identificación de las correspondientes características provendrá del análisis de los diversos tipos de vagones. se modelizarán aquellos tipos de vagones que de su análisis estructural hayan resultado ser los mas débiles. Se considerará la posibilidad de que un vagón para el transporte de contenedores no lleve ninguno.

Respecto al modelizado de la vía a CIELO ABIERTO, se modelizará el escenario más desfavorable teniendo en cuenta aquellos elementos que cambien sustancialmente el campo fluido (por ejemplo un terraplén o la capa de balasto). El modelado de la vía en TÚNEL considerará las características propias de este tipo de
infraestructuras.

Se realizarán un mínimo de 22 simulaciones aparte de aquellas necesarias para la calibración. El número de simulaciones para cada configuración, cielo abierto o en túnel, no será interior de 8.

3.3. FASE DE ENSAYOS

El primer paso de esta fase es la elaboración de un plan de ensayos cuya objetivo es fijar el número y tipo de ensayos y definir los parámetros a medir (localización de los puntos de medida y procedimiento de medida) y los parámetros clave en el ensayo como por ejemplo el desfase de entrada deseable para tener registros limpios en las secciones de medida del túnel. Se tendrá en cuenta la repetitividad del ensayo.

En todo caso se realizarán en secciones tanto a cielo abierto como en túnel, para de esta forma validar los resultados obtenidos en los modelos teóricos. A cielo abierto y en túnel habrá que registrar aquellos parámetros ambientales que influyen en los resultados numéricos como por ejemplo dilución y velocidad de viento. temperatura, presión atmosférica, etc. Además se deberá medir la velocidad de los trenes y, en el caso de cruce en túnel. el desfase de entrada entre los trenes.

El plan de ensayos deberá ser aprobado por Adif.

El siguiente paso es la realización de los ensayos donde se procederá a la captura de datos. Se desea caracterizar el campo de presiones no-estacionario que se induce sobre la estructura de vagones de mercancías que son expuestos al cruce con trenes de alta velocidad. El objetivo perseguido es poder estimar las fuerzas que se ejercen sobre las paredes del vagón cuando se produce tal evento. Para lograr este objetivo se instrumentarán al menos dos modelos diferentes de vagones mediante sondas de presión diferencial de respuesta rápida con una de las tomas instaladas en la pared exterior de las vagones y la otra en la pared interior. Adicionalmente se registrará la evolución temporal del campo de presiones en el interior del vagón. En la elección de los puntos de medida se tendrá en cuenta la posible existencia de una onda de presión que se propaga en el interior del vagón.

En principio se monitorizarán las presiones en zonas concretas del tren de mercancías. A parte de presiones se monitorizará, en su caso, otros parámetros directos como por ejemplo los movimientos de contenedores desplazados que permiten de manera indirecta estimar la solicitación de los elementos de fijación. Se medirá alguna medida física como la aceleración en la pared del vagón que permitirá contrastar datos experimentales con valores obtenidos con un modelo de Elementos Finitos del mismo elemento estructural.

Para la realización de estos ensayos sera imprescindible la colaboración de la empresa de transporte ferroviaria involucrada. El coste de uso de los trenes está incluido en el alcance del presente contrato.

El licitador describirá en su oferta técnica como se desarrollará la fase de ensayos. Básicamente se deberá describir qué tipo de sensores se emplearán y cómo serán instalados en los diferentes vehículos ferroviarios. En todo caso, se deberá poder estimar la fuerza ejercida por el campo de presiones que actúa sobre el vehículo instrumentado. Adicionalmente se registrará la evolución temporal del campo de presiones en el interior del vagón.

Según se ha ido indicando, se desea caracterizar la evolución de las presiones tanto para un cruce de trenes en campo abierto como en el interior de un túnel. En este último caso, se requiere asimismo registrar la evolución temporal de la presión en alguna región del túnel. Deberán fijarse la o las secciones de tal manera que se obtengan registros que faciliten la posterior comparación con los resultados numéricos.

La caracterización experimental se completará con el registro de señales de sincronismo que permitan establecer una única pase de tiempos entre los registros de presión obtenidos en los vehículos y en el equipo de tierra instalado en el túnel. Asimismo, se registrarán señales que permitan determinar la posición relativa de los dos trenes que se crucen en la base de tiempo unificada.

De manera aproximada. las tareas requeridas para la realización de la actividad serían las siguientes:

  • Preparación de la instrumentación. En esta tarea se incluye la puesta a punto de la cadena de medida necesaria para realizar la caracterización experimental.
  • Campaña experimental. Se refiere a la realización de los ensayos propiamente dichos, tanto en configuración a cielo abierto como en el interior de túnel. Para cada una de estas configuraciones se indicará en la oferta el número de ensayas (por configuración) que se estima serán necesarios realizar.
  • Post-proceso y análisis de resultados.

Debe destacarse que el coste de adquisición de los sensores y equipos necesarios para realizar los ensayos, no es objeto del presente contrato. Es por tanto necesario que el licitador esté en posesión de estos equipos o que los deba adquirir por su cuenta y así poder realizar los ensayos.

3.4. FASE DE CONCLUSIONES V RECOMENDACIONES

Del análisis de los resultados de la fase anterior, se establecerán las conclusiones de la investigación, encaminadas a establecer una serie de recomendaciones relacionadas con la velocidad de cruza entre ambos tipos de trenes.

En su caso, el licitador deberá colaborar con Adif en la posible generación de una norma específica o en la generación de la parte correspondiente (en lo relativo a cruces) de una ya existente o en fase de elaboración.

[Texto extraído del blog Geotren, para lo cual se han convertido las imágenes de dicho post en texto, a través de un proceso automático de OCR. Si existe alguna errata, por favor, hacérnosla saber en los comentarios. Gracias.]