Protección acústica del alma del carril Calmmoon Rail – mediciones de campo

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 76)

Dr. Günther Koller, Ing. Gaspar Acosta

Desde 2008 se emplea en Europa el sistema de protección acústica del alma del carril Calmmoon Rail. Los ferrocarriles alemanes han instalado esta tecnología en más de 80 km de vías hasta 2019. En el marco de un programa de estímulo económico del Ministerio de Infraestructuras de Alemania y los ferrocarriles alemanes en 2012, se determinó que Calmmoon Rail es la tecnología de reducción de ruido en carril más eficaz, económica y amigable para la reducción del ruido emitido por el carril. Mediciones de campo desarrolladas en Alemania y Suiza han mostrado reducciones del nivel global de ruido de hasta 4,4 dB. Ensayos de laboratorio en un carril con oscilación libre, según Stardamp, han dado resultados de hasta 19 dB de reducción. Con tasas de atenuación de vía (TDR) elevadas, Calmmoon Rail es sustancialmente más eficaz que los amortiguadores de alma de carril (conocidos como dampers).

1. Alemania – Programa de estímulo económico II (KP II)[1]

En el periodo de 2009 a 2012, Alemania implementó un programa de estímulo económico, KP II Lärm, para ensayar soluciones innovadoras de protección frente a ruido y vibraciones en las vías. Se ensayaron un total de 14 tecnologías (incluyendo el sistema de reducción de ruido Calmmoon Rail) en 82 proyectos.

Para estos ensayos, Calmmoon Rail se montó en unos 40 km de vías y los ferrocarriles alemanes establecieron que esta tecnología lograba una reducción de 3 dB de media, con lo que se reconoció como válida para el modelo de cálculo acústico Schall03 [2012]. Esta tecnología, que reduce el ruido directamente en la fuente de emisión, pudiéndose emplearse en combinación con otras medidas de protección contra el ruido en proyectos futuros.

El programa complementa las técnicas «clásicas» de mitigación de ruido para reducir el ruido emitido en las zonas colindantes a las infraestructuras ferroviarias. Se obtuvieron los siguientes resultados con los rail dampers y el sistema de protección acústica del alma de carril Calmmoon Rail (Tabla 1):

Como parte del programa de estímulo económico KP II, el sistema Calmmoon Rail se montó y ensayó en 12 ubicaciones muy diferentes, con un total de 39,820 km de vía. Concretamente en Hamburgo Harburg, Hamburgo Hausbruch, Hamburgo Rahlstedt, Hamburgo Tonndorf, Hamburgo Mariental, Leipzig Güterring, Leipzig Wahren, Emmerich – Oberhausen, Bremen, Löf an der Mosel y comarca de Algesheim.

1.1. Efecto acústico de Calmmoon Rail

La reducción del nivel de ruido aéreo determinada mediante las mediciones se refiere al ruido total durante los pasos de tren, con las fracciones de ruido emitido por el carril, ruido de rodadura, ruido de accionamiento, ruidos de equipos y ruido aerodinámico. Calmmoon Rail actúa solo reduciendo el nivel en la fracción de ruido de rodadura de los carriles. Los resultados de esta medición se refieren siempre a velocidades ≤ 160 km/h y vías con traviesas sobre balasto. Calmmoon Rail logra una reducción promedio del nivel sonoro ponderado A, de 3 dB. Esta atenuación es la que considera el modelo de cálculo acústico [2012] para la tecnología de protección acústica del alma del carril.

1.2. Consideración de costes

Los costes anuales específicos de construcción para el Calmmoon Rail en el marco del programa KPII fueron de 12.600 euros/km de media, esto con una vida útil calculada de 13 años. Con esta técnica no hay costes de operación. En esta fase es difícil predecir los costes de mantenimiento, Debido a que tanto los rail dampers como el sistema Calmmoon Rail se instalan directamente en los carriles, el mantenimiento se puede ver afectado según la tecnología usada. Algunos efectos son:

• Mantenimiento de la vía, bateado del balasto. o Con Calmmoon Rail se puede hacer bateado del balasto con máquinas convencionales. Los trabajos de mantenimiento se desarrollan igual que en vías sin Calmmoon Rail.
• El sistema se puede montar y desmontar al cambiar los carriles, al renovar las vías y al colocar cualquier equipo de señalización, o al colocar bornes de puesta a tierraSi se considera esto con el debido detalle comercial al valorar los costes derivados del mantenimiento de las vías, Calmmoon Rail resulta en:
• 2900 euros por año y kilómetro (Calmmoon Rail – montado desde 2012)

Se debe mencionar que la sujeción de Calmmoon Rail se ha perfeccionado, de forma que la tecnología no sobresale de la zona del perfil de los carriles. Según TM 2013-1024 I.NVT 4 de los ferrocarriles alemanes, garantizándose el mecanizado de la vía en condiciones normales.

2. Calmmoon Rail optimizado para trabajos de mantenimiento de ferrocarril

Los resultados del programa de estímulo económico KPII y del intercambio de experiencias con los ferrocarriles alemanes motivaron que SEKISUI (el fabricante de Calmmoon Rail) siguiera desarrollando la tecnología existente, para que los trabajos de mantenimiento del explotador de la infraestructura se vieran afectados lo menos posible.

Para ello, en el año 2012 se desarrollaron varios ensayos de campo en vías de los ferrocarriles alemanes y en tramos en Holanda. El sistema de sujeción desarrollado, así como los componentes del sistema Calmmoon Rail se perfeccionaron, se montaron y se estudió su influencia en el mantenimiento de la vía. Los ensayos de campo se desarrollaron con máquinas convencionales de bateado, alineamiento del balasto y recogedoras de balasto. Estos ensayos confirmaron la posibilidad de las tareas de mantenimiento de las vías sin restricciones.

La autorización definitiva para el uso de Calmmoon Rail en los ferrocarriles alemanes se comunicó el 25 de enero de 2019 por parte de la Oficina Federal de Ferrocarriles EBA.

3. Alemania – IBP II reducción de ruido y vibraciones

El programa IBP II para promover la mitigación de ruido y vibraciones se usó en los años 2013 y 2014 para aplicar tecnologías innovadoras para prevención del ruido del carril.. darse dió preferencia a zonas sujetas a una fuerte carga de ruido y con opciones limitadas para uso de pantallas acústicas.

En el marco de las licitaciones, el licitador de Calmmoon Rail pudo lograr pedidos con un volumen de ejecución de más de 40 km de vías, como mejor ofertante.

La implementación de estos proyectos en distintos lugares a la izquierda y derecha del Rin, como p. ej. en Linz/Rhein, Boppard, Trechtingshausen, Niederheimbach, St. Goar y otros, se hizo aprovechando los cortes nocturnos de servicio.

4. Mediciones de campo con Calmmoon Rail en Alemania y Suiza

4.1. Alemania – Löf[2]

Una vez adjudicado el proyecto del tramo 3010 – Löf/Mosel al consorcio Schweerbau – SEKISUI, se tenían que cumplir las especificaciones definidas en el anexo de la licitación, donde se estipulaba que el pago se efectuaría si se lograba una reducción deshonora mayor o igual a 2 dB(A).

Para ello se estableció que antes del montaje del sistema Calmmoon Rail había que medir el TDR (Track Decay Rate). El TDR debía ser de media menor o igual a 2 dB/m en el rango 500 a 2000 Hz, para garantizar la reducción sonora exigida de 2 dB(A).

La situación acústica actual mostraba que el nivel sonoro era muy bajo en comparación con otros tramos (unos 6 – 10 dB menos). Las mediciones de TDR mostraron un valor medio de 8.1 dB/m en el intervalo de frecuencias de 500 a 2000 Hz según método TSI de AEIF, valor sustancialmente mayor que los 2 dB/m establecidos.

Con ello quedó constado que los ferrocarriles alemanes tienen unas vías en excelentes condiciones de explotación debido a un mantenimiento cuidadoso y adecuado.

Para estos valores de TDR y según las condiciones del contrato, en estos puntos no hay que montar rail dampers, debido a que estos valores son los límites conocidos por DB AG donde los rail dampers funcionan correctamente.

Tras consultar con los ferrocarriles alemanes, se equipó un tramo de prueba de 100 m de longitud con Calmmoon Rail y se hicieron mediciones acústicas. La reducción sonora lograda con una TDR existente de 8,1 dB/m se muestra en la tabla 2.

4.2. Alemania – Gau-Algesheim[3]

La vía de pruebas de DB AG para la medición de amortiguadores y protecciones acústicas de alma de carril está situada en Gau-Algesheim. En este lugar se cumplen de forma óptima todas las condiciones de contrato para la medición de la radiación sonora de carriles y vehículos según norma. El tramo de pruebas en el que había que instalar Calmmoon Rail tenía una longitud de 200 m. Las mediciones acústicas se hicieron a una distancia de 7,5 m del eje de la vía y a 1,2 m sobre la cota del carril.

Además, se hizo una medición a 25 m de distancia del eje de la vía y 3,5 m sobre la cota del carril. Antes del montaje del sistema Calmmoon Rail, se hizo la medición del TDR y de la rugosidad de los carriles, así como la medición acústica de referencia (antes de la instalación del Calmmoon Rail).

En este proyecto, en el último día de las mediciones acústicas iniciales se produjo un bateado inesperado del balasto. La consecuencia fue que, debido al bateado, había un estado de vía diferente. Esto implicó que se midiera otra vez el TDR, determinándose que había mejorado sustancialmente con el bateado. Por eso, se hizo una nueva medición de las condiciones acústicas iniciales. Finalmente, se pudo montar Calmmoon Rail en el momento previsto y realizar las mediciones previstas.

En ese momento se tenía una vía excelente con un magnífico TDR (5,1 dB/m) y una rugosidad de carril por debajo de las pautas de la TSI e ISO.

La tabla 3 muestra los resultados de la medición de campo, donde se aprecia que la reducción sonora para trenes de mercancías empieza en 1,9 dB y llega hasta un reducción sonora de 4,4 dB para trenes de pasajeros.

4.3. Suiza [4]

En octubre de 2015, en el tramo de vía única entre Kerzers y Müntschemier se equiparon dos tramos rectos de vía simple de 80 m de longitud con el sistema Calmmoon Rail de SEKISUI, para medir su efecto acústico. El tramo estaba en un estado excelente tras la renovación de la superestructura en 2014, con una rugosidad de carril muy baja. Por esta línea circulan tanto trenes de pasajeros como de mercancías. La vía es ideal para mediciones acústicas, ya que la propagación de sonido no se ve afectada por vegetación alta ni por superficies reflectantes.

En la tabla 4 se presentan las reducciones de nivel sonoro con Calmmoon Rail en ambas secciones, MQ1 (TDR = 15,2 dB/m) con pad bajo carril dur0 y MQ2 (TDR = 2,6 dB/m) con pad bajo carril blando, respecto a la vía de referencia MQ0. En la vía de ensayo MQ1 con pad bajo carril duro, la reducción media es – 1,8 dB, mientras que en la MQ2 con pad bajo carril blando, la reducción media es de – 3,1 dB.

5. Ensayo de laboratorio según test Stardamp para Calmmoon Rail[5]

El efecto del sistema Calmmoon Rail de SEKISUI se investigó en un carril con apoyo libre. El ensayo se hizo de forma alineada con el estándar DB 918 290 (Stardamp) en un carril UIC60 de 6 m de longitud apoyado libremente, en el que la excitación se producía en ambos extremos del carril mediante un martillo de impactos instrumentado, tanto en dirección horizontal como en vertical. Lo esencial de este ensayo no era el TDR, sino la medición de atenuación por inserción – insertion loss (IL). La emisión de ruido se midió con micrófonos en mitad del carril, a diferentes distancias laterales de 0,1 m, 1 m y 2 m, y alineados con la cabeza del carril.

Los resultados del ensayo de laboratorio se muestran en las figuras 10 y 11. Si las mismas se comparan con las mediciones de campo en una vía real, se ve que los valores están desproporcionadamente por encima de los resultados de los ensayos de campo. Una justificación de este comportamiento parece ser que el carril de 6 m está libre de tensiones y apoyado casi sin fricción. En los ensayos de campo con Calmmoon Rail, el carril está sujeto en las traviesas cada 60 cm. Por ello tiene una amplitud de oscilación libre casi indetectable en comparación con este ensayo de laboratorio.

6. Efecto elevado de Calmmoon Rail con TDR alta

Una diferencia característica entre los rail dampers y el sistema Calmmoon Rail es su principio de funcionamiento.

Los rail dampers son elementos de masa elevada e incluyen elementos elásticos para crear un sistema masa muelle (sólo en el elemento amortiguador a sí mismo, no en el sistema de vía) para modificar el TDR y el comportamiento oscilatorio del carril.

Los ensayos y evaluaciones científicas constatan desde hace años que con un TDR bajo (de solo 2 dB/m) solo se puede esperar una reducción de ruido por rail dampers menor o igual a 2 dB.

Si aumenta el valor dea TDR de la vía, es decir la calidad acústica de los carriles, se reduce aún más el efecto de esta tecnología.

Italia, Suiza y Austria no instalan actualmente rail dampers, ya que sus vías presentan por lo general un TDR mayor que 2 dB/m.

Los ensayos de campo anteriores mostraron tasas de atenuación de vía de 2,6 dB/m con suelas bajo patín blandas, y hasta 15,2 dB/m con suelas bajo patín duras. Si se aplican los valores de las mediciones de campo con el sistema Calmmoon Rail en el diagrama[6] la potencial atenuación de los rail dampers resulta la figura 12.

La figura 12 muestra la limitación de cada uno de los sistemas (Dampers y Calmmoon Rail).

Se ve que Calmmoon Rail incluso con una TDR de 15,2 dB/m puede ofrecer una reducción de ruido mayor que los rail dampers con una de 2 dB/m.

7. Resumen

Desde 2008 se emplea en Europa el sistema para reducir el ruido Calmmoon Rail.

Los ferrocarriles alemanes han instalado esta tecnología en más de 80 km de vías hasta 2019. En el marco de un programa de estímulo económico, el Ministerio de Infraestructuras de Alemania y los ferrocarriles alemanes determinaron en 2012 que el sistema Calmmoon Rail es la tecnología de reducción de ruido en carriles más eficaz, económico y amigable.

Las mediciones realizadas en vía en Alemania y en Suiza han mostrado reducciones del nivel sonoro total de la infraestructura ferroviaria de hasta – 4,4 dB.

Los ensayos de laboratorio en un carril con oscilación libre, según Stardamp, han dado resultados de hasta 19 dB. Con tasas de atenuación de vía (TDR) elevadas, Calmmoon Rail es sustancialmente más eficaz que los conocidos “rail dampers”.

Con un TDR de 15,2 dB/m, Calmmoon Rail puede ofrecer una reducción de ruido mayor que un rail damper con una tasa de 2 dB/m.

De forma similar a una barrer acústica, Calmmoon Rail actúa sólo apantallando para reducir el ruido radiado por el carril.

Los rail dampers modifican el comportamiento vibratorio de los carriles, lo que en Austria (en un ensayo en la curva Konzert de Innsbruck) provocó rápidamente la formación de efecto ondulatorio en la superficie de los carriles.

En base a esta experiencia de mediciones de campo, el efecto de Calmmoon Rail mostró ser muy adecuado para reducir el ruido de las infraestructuras, en casi todas las vías existentes de los explotadores ferroviarios.

Italia, Suiza y Austria no instalan hasta la fecha rail dampers, ya que sus vías presentan por lo general una TDR mayor de 2 dB/m.

Esta efectividad del sistema de protección acústica del carril con elementos ligeros llama a la voluntad de los especialistas a aceptarlo como una solución válida. Es una aproximación basada en experiencias diarias que contrasta con décadas de investigación teórica de grandes especialistas y acumulación de conocimiento sobre la reducción del ruido del carril mediante rail dampers.

Referencias bibliográficas:

[1] Medidas innovadoras para protección frente a ruido y vibraciones en los trayectos, informe final 15/6/2012 | BMVBS | DB Netze

[2] Ensayo práctico con Calmmoon Rail, punto de medición Löf/Alemania, informe de investigación, psiA-Consult

[3] Ensayo práctico con Calmmoon Rail, punto de medición de la comarca de Algesheim/Alemania, informe de investigación, psiA-Consult

[4] Apantallamiento de alma de carril, mediciones durante pasos de tren, informe 02-00993, Kerzers Müntschemier, Prose AG

[5] Apantallamiento de alma de carril (ApAC) Calmmoon Rail, determinación de medición de atenuación de inserción, informe final 02-1319, Prose AG

[6] Innovative measures for reducing track noise and vibration emission, M. Beier, Th. Lölgen, C. Gerbig, 11th International Workshop on Railway Noise

[7] El apantallamiento de alma de carril cumple las pautas de la norma Ruido 03 [2012], Gerd LeDosquet, Günther Koller, revista Der Eisenbahningenieur 08|2014

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