La importancia de la rigidez en los sistemas de fijación en la vía en placa para la reducción de vibraciones

La importancia de la rigidez en los sistemas de fijación en la vía en placa para la reducción de vibraciones

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 67)
Gaspar Acosta; gerente en Acosta Ingenieros, S.L. Ingeniero Técnico Industrial por la Universidad Politécnica de Cataluña. Barcelona. España Ingeniero en Organización Industrial por la Universidad Politécnica de Cataluña. Barcelona. España. Ingeniero de Minas y Energía por la Universidad Politécnica de Cataluña. Barcelona. España.

Las ciudades cada día demandan mejores servicios de transporte, se ha demostrado que el vehículo particular en masa produce grandes congestiones y elevados costes medioambientales, que las grandes ciudades no pueden absorber. Por ese motivo en los últimos años el ferrocarril se ha demostrado como una solución a los problemas de movilidad en las grandes ciudades, pero la sociedad exige que estos transportes masivos conecten el centro de las ciudades, todos sus barrios, estén en servicio las veinticuatro horas al día (Non Stop) y sea respetuoso con el medio ambiente.

Un parámetro medioambiental muy importante en la actualidad a tener en cuenta en el diseño y construcción de un sistema ferroviario en las ciudades son las vibraciones, que este transporte puede producir a los edificios de la ciudad. Vista esta problemática debemos de diseñar sistemas de vía que reduzcan las vibraciones producidas por el paso de los trenes y además que estén libres de mantenimiento, para permitir el máximo de horas de funcionamiento de este tipo de transporte. Por este motivo en las últimas décadas se han desarrollado sistemas de vía en placa de hormigón con sistemas de fijaciones elásticas antivibratorias. Un parámetro a tener muy en cuenta para la absorción de las vibraciones es la rigidez de la vía.

Introducción

En la actualidad los sistemas de transporte masivos como el ferrocarril están experimentando un crecimiento muy rápido en las ciudades debido a sus ventajas en la descongestión del tráfico y otras ventajas medio ambientales. Estos sistemas de transporte discurren por las calles de las ciudades, ya sea en superficie, mediante viaductos o de forma subterránea. En todos los casos se producen problemas de vibraciones en los edificios colindantes. Esto hace que haya que tener en cuenta esta variable durante el proceso de diseño, construcción, explotación y mantenimiento de esta infraestructura.

Además, la necesidad de tener el máximo de horas posibles en servicio estos sistemas de transporte, hace más difícil la gestión del mantenimiento, debido a la reducción de horas de corte de servicio.

Se han buscado sistemas de vía de bajo mantenimiento, en la actualidad, de los sistemas existentes se ha demostrado que la vía en placa hormigonada puede ser la mejor solución a estas premisas.

Sistema de vía en placa

Básicamente, los sistemas de vía en placa hormigonada se basan en una base de hormigón armado, que sustituye el clásico balasto, y un sistema de fijación del carril encima de esta base de hormigón.

Normalmente un sistema de fijación para vía en placa moderna se basa en una placa base donde va alojado el carril y las fijaciones que lo sujetan. Esta placa base está anclada a la base de hormigón mediante un sistema de anclajes mecánicos.

Existen en el mercado infinidad de sistemas de fijación para vía en placa hormigonada, pero de todos estos existe un sistema que por su sencillez en el montaje, su comportamiento en vía, su casi nulo mantenimiento y su elevada reducción de las vibraciones se están imponiendo. Estos son los sistemas de fijaciones vulcanizados.

Pero antes de describir estos sistemas vamos a analizar de una forma simple que son las vibraciones, la frecuencia natural de un sistema, la frecuencia de amortiguación y como afecta la rigidez del sistema a estos parámetros.

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Fig. 1 – Sistema fijación – Delkor ALT.1

Vibraciones

Las vibraciones no son más que un movimiento oscilatorio de pequeña amplitud.

Podemos imaginar un muelle con una rigidez (k) suspendiendo a una masa (m) como tenemos en la figura siguiente:

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Fig. 2 – Sistema muelle – masa

Cuando aplicamos una fuerza hacia abajo y dejamos de golpe la masa empieza oscilar con una amplitud que depende de la rigidez del muelle y de la masa de la bola.

Si representamos esta oscilación en el espacio temporal tendríamos la representación de una sinusoidal, esta es la representación de la oscilación más simple y pura que existe.

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Fig. 3 – Sistema muelle – masa

Otro concepto es la frecuencia natural de un sistema, esta es la frecuencia que vibrará el sistema cuando se desplaza del equilibrio y no está sometido a ninguna fuerza externa. Todos los sistemas tienen una frecuencia natural.

La expresión matemática que expresa la frecuencia natural de un sistema es:

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Dónde:

  • Fo: Frecuencia natural (Hz)
  • m: Masa de sistema (kN)
  • K: Rigidez del sistema (kN/mm)

Conocida la frecuencia natural de un sistema es posible calcular el límite de la frecuencia de amortiguación con la expresión siguiente:

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Volviendo a la ecuación de la frecuencia natural podemos ver esta es directamente proporcional a la rigidez del conjunto e inversamente a la masa. Por lo tanto es fácil deducir que cuanto menor sea la rigidez del sistema menor será el límite de la frecuencia de amortiguación y por tanto el sistema amortiguará a frecuencias más bajas.

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Fig. 4 – Sistema muelle – masa

Efecto de la rigidez en vía

Como hemos podido observar la rigidez de la vía es un valor muy importante a tener en cuenta en el diseño de un sistema de vía en placa que nos permita una reducción de vibraciones óptima, pero no debemos olvidar la dinámica completa del sistema de vía y analizar cómo se comportaría una vía con una rigidez muy baja.

Concepto de rigidez estática y dinámica

Antes de nada vamos a definir el concepto de la rigidez, ver que podemos hablar de rigidez estática y dinámica. También es necesario definir cómo podemos medir estos parámetros en diferentes sistemas de fijación.

Se entiende como rigidez a la relación entre una fuerza aplicada a un cuerpo y la deformación que le produce. Realmente nos da una idea de la oposición que ejerce el cuerpo a ser deformado por una fuerza exterior.

Pero esta fuerza que se aplica al cuerpo puede ser una fuerza ascendiente con el tiempo o cíclica.

Cuando la fuerza que se aplica aumenta con el tiempo, sin producir un ciclo de carga y descarga hablamos de rigidez estática.

Esta fuerza producirá una deformación sobre el cuerpo que la soporta.

En la gráfica siguiente podemos ver una curva típica de un ensayo de rigidez estática.

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Fig. 5 – Ensayo rigidez estática

Por otra parte, cuando la fuerza que se aplica a un cuerpo responde a unos ciclos de carga y descarga, entonces hablamos de rigidez dinámica.

El paso de un tren por un punto concreto de la vía produce una fuerza cíclica.

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Fig. 6 – Ensayo de rigidez dinámica

En el caso de utilizar materiales del tipo elastómeros para amortiguar estas fuerzas cíclicas podemos observar que el ciclo de carga no es el mismo que el ciclo de descarga. Esto es lo que se conoce como ciclo o curva de histéresis.

Medida de la rigidez

Como hemos visto, la rigidez de un material es la relación entre una fuerza y la deformación que esta produce.

Por lo tanto, cuando queramos ver cómo se comporta un material o sistema será necesario ensayarlo bajo las fuerzas que le son de aplicación y ver la deformación que se produce.

Las curvas que se producen en estos ensayos no tienen por qué ser rectas con una determinada pendiente, sino que corresponden más a una curva o función cuadrática. Debido a esto y para poder tener un valor numérico que se pueda operar matemáticamente con facilidad se define la rigidez como la pendiente de una recta entre dos puntos de fuerza – deformación. Esta recta es la secante entre dos puntos.

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Por lo tanto, cuando se solicita un valor de rigidez de un sistema de sebe de solicitar entre qué puntos o fuerzas se solicita. Estas fuerzas deben de coincidir con las fuerzas que le son de aplicación a nuestro sistema.

Esto ha producido muchas confusiones entre valores de rigideces que proporcionan los fabricantes de sistemas debido a que los puntos escogidos para el cálculo de las rigideces no eran los mismos.

Además, si se solicita un valor de rigidez dinámica hay que decir también que frecuencia se ha utilizado para calcular este valor. Normalmente lo más correcto es dar el valor de rigidez con varias frecuencias de ensayo, como podría ser 10Hz, 15Hz y 20Hz como mínimo.

Otro valor importante es el ratio entre la rigidez dinámica y la estática, esta relación nos da un valor que cuando más se acerca a la unidad significa que la calidad del material utilizado y el sistema en sí es de mejor calidad.

Entonces, para comparar valores de rigideces de diferentes sistemas hace falta utilizar un estándar o normas para realizar los cálculos y ensayos de todos los fabricantes.

En Europa el Comité Europeo de Normalización (CEN) elabora desde hace años la serie de norma EN 13146. Entre esta serie podemos encontrar la norma EN 13146-9 “Determinación de la rigidez” que define como realizar el ensayo de rigidez estática y dinámica, y las fuerzas a aplicar.

Dinámica de vía

En el diseño de un trazado de vía y más precisamente en el diseño de su composición hay que tener en cuenta por donde discurre, que materiales envuelven la vía, serán o no propagadores naturales de vibraciones, que sistema de fijaciones utilizaremos, que mantenimiento podremos hacer, costes económicos, etc. A todas estas preguntas hay que darles su mejor respuesta dentro de la técnica existente en el momento, por eso hay que estudiar la dinámica de vía.

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Fig. 7 – Sistema de transporte subterráneo.

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Fig. 8 – Sistema de transporte en viaducto.

Se debe recurrir a empresas especializadas para el modelado de los sistemas de vía en cuanto a la afectación de ruido y vibraciones. En la actualidad existen modelos matemáticos muy avanzados que pueden simular la afectación de una infraestructura a los edificios colindantes, pero estos modelos requieren de muchos datos de entrada a veces difíciles de conseguir. Aun así el modelado y estudio de la vía y sus efectos en los edificios colindantes en cuanto a ruido y vibraciones es necesario realizarla en fase de proyecto. Estos estudios iniciales van a reportar una información muy valiosa e imprescindible para poder determinar posteriormente el tipo de sistema de fijación a utilizar en la vía.

Una vez realizados estos estudios podremos determinar las zonas críticas en cuanto a ruido y vibraciones, proponer soluciones para evitar molestias a los ciudadanos que vivan en los alrededores.

Detectado el problema una solución que se ha demostrado óptima para evitar el ruido y vibraciones son los sistemas de fijaciones del tipo caucho – metal capaces de ajustar la rigidez a los requerimientos del proyecto. Como hemos visto anteriormente la rigidez es un parámetro fundamental a tener en cuenta cuando queremos amortiguar las vibraciones producidas por la vía.

Por lo tanto, se tiene que pedir al fabricante de sistemas de fijaciones que proponga sistemas de fijación que puedan adaptar su rigidez a los requerimientos del proyecto.

Numerosos proyectos hasta el momento proponían un sistema de fijación sin partir de premisas iniciales que cumplir o sin requerimientos previos. Esto ha producido posteriormente grandes problemas en la explotación debido a las quejas y/o denuncias de los ciudadanos afectados.

Existen numerosos proyectos que limitan la deflexión del carril al paso del tren a 2 mm como valor máximo, pensando que este es el valor máximo de fatiga de un carril. Premisa errónea.

Partiendo de los valores siguientes de una vía común de metro:

  • Carga por eje: 135 kN
  • Carril: 54E1
  • Separación de fijaciones: 0,75 m

Y calculamos utilizando la teoría de Zimmermann, la deflexión del carril y las tensiones que se producen en el carril variando únicamente el parámetro de la rigidez tendremos, para estos valores, el siguiente cuadro:

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Como podemos observar, con una rigidez dinámica muy baja el esfuerzo soportado por el patín del carril es de solo 65,3 kN/mm2 cuando el máximo que puede soportar es de 178,8 kN/mm2. Esto quiere decir que el patín está trabajando solo a 36,5% de su capacidad.

También, hay que tener en cuenta el ratio entre la rigidez dinámica y la estática, estos dos valores deben de ser lo más parecidos posibles y el fabricante debe de garantizar una relación determinada, normalmente valores menores de 1,4 garantizan una calidad óptima de producto.

Sistemas de fijaciones caucho – metal

Existen muchos sistemas de vía en placa en la actualidad, pero cuando hablamos de reducción de vibraciones y ruido, los sistemas que se están imponiendo por su robustez y su prácticamente nulo mantenimiento, son los sistemas basados en la tecnología del caucho – metal, en Ingles “bonded”.

Esta tecnología se basa en combinar placas de metal (normalmente de fundición) y caucho natural vulcanizado como función anti vibratoria. El caucho natural y las placas de metal están unidos mediante un proceso de vulcanizado.

Estos sistemas de fijaciones presentan las siguientes características de forma general:

  • Sistemas de una sola pieza.
  • Prácticamente mantenimiento nulo.
  • Alto aislamiento eléctrico.

Uno de los sistemas más conocidos mundialmente por su alto resultado, tanto en la reducción de vibraciones como un nulo mantenimiento, son las fijaciones llamadas del tipo “EGG”. Esta tecnología nace durante los años 1970 en Alemania.

En la actualidad, la empresa líder a nivel mundial en el desarrollo de estos sistemas es la empresa Australiana Delkor Rail Pty Ld con más de 30 años diseñando estos sistemas para todos los ferrocarriles y metros del mundo.

Las características más importantes de las fijaciones tipo EGG de Delkor Rail Pty Ld son:

  • Alta atenuación a las vibraciones y ruido.
  • Sistema de una sola pieza.
  • Caucho natural como elastómero reductor de vibraciones.
  • Probado a fatiga.
  • Fácil instalación, se puede instalar con el sistema TOP DOWN como con el BOTTON UP.
  • Alto aislamiento eléctrico.
  • Libre de mantenimiento y larga vida útil, más de 30 años.
La importancia de la rigidez en los sistemas de fijación en la vía en placa para la reducción de vibraciones

Fig. 7 – Sistema fijación – Delkor EGG

Este tipo de sistema de fijaciones se fabrica a medida a las necesidades de explotación de la red ferroviaria a dar servicio.

Las características que son regulables son:

  • Rigidez estática entre 6 y 15 kN/mm.
  • Ajuste lateral de +/- 15 mm.
  • Ajuste vertical hasta 25 mm.
  • Soporta cualquier tipo de clip. (SKL, e clip…).
  • Ratio rigidez dinámica y estática menor de 1.4.

Con estas características, la posibilidad de solicitar un diseño a medida de las necesidades de la vía, la referencia de más de 30 años en servicio con un resultado excepcional, hace que este sistema de fijación sea el mejor sistema existente actualmente para un sistema de ferrocarril urbano.

Aplicaciones

En la actualidad existen referencias de sistemas de fijaciones caucho – metal con 30 años de servicio y un resultado totalmente satisfactorio.

Estas referencias abarcan todo tipo de instalaciones, vía en placa en túnel, en viaducto, en puentes metálicos, puentes de hormigón, así como diferentes tipos de trenes, pasajeros, de carga, con muy diferentes cargas por eje, velocidades…etc.

A continuación se muestras las fotografías de diferentes instalaciones repartidas por todo el mundo.

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Foto 1 – Metro Barcelona – L10

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Foto 2 – Metro Sydney

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Foto 3 – Estación Aeropuerto de Ginebra

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Foto 4 – Ladder Track – Japón

Bibliografía

  • UNE EN 13.481:2012 Parte 5 Conjuntos de sujeción para vía en placa sin balasto.
  • UNE EN 13481-1:2012 versión corregida: Enero 2013 Aplicaciones ferroviarias – Vía – Requisitos de funcionamiento para los conjuntos de sujeción.
  • UNE EN 13146:2011 Parte 9 “Determinación de la rigidez”
  • Catálogo Delkor Rail, Ltd. (Australia)

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