Modelado numérico de una zona de transición ferroviaria

Abstract

RESUMEN: La infraestructura ferroviaria presenta numerables discontinuidades a lo largo de su trazado. Las zonas de transición constituyen una solución para realizar el paso o transición de la vía “convencional” a otro tipo de vía más moderna, la vía en placa, utilizada en estructuras (puentes viaductos, túneles, estaciones, pasos a nivel, etc.…) El estudio de las mismas es un tema que se aborda desde hace tiempo, realizándose numerosos estudios y aportando diversas soluciones a este problema. Una de las soluciones planteadas es un nuevo modelo de zona de transición denominado DINATRANS, con el fin de mejorar las propiedades mecánicas y con un menor coste de estas zonas problemáticas. El objetivo de este trabajo Fin de Máster es el de modelizar numéricamente una zona de transición de tipo DINATRANS para evaluar su comportamiento. Además, se han realizado una serie de mediciones en campo en un prototipo de esta zona de transición con el fin de evaluar una experiencia real. Estas mediciones reales servirán de medidas base para comparar los modelos. Inicialmente, se definen la geometría y los materiales de todos los elementos empleados para la realización del análisis numérico de los datos. Para la realización del estudio se ha empleado un software de modelización numérica dinámica de vía denominado DARTS con el que se modelizarán la vía para diferentes escalones de velocidad. También se ha utilizado el programa de elementos finitos en 3D ANSYS para ver el comportamiento de los elementos de la superestructura. Así, para todos los casos se estudiarán una serie de parámetros de la vía como los desplazamientos o asientos verticales de la vía, las tensiones cortantes que se producen en los carriles, o las aceleraciones que se producen en las traviesas y en la base de la vía en placa. Una vez realizados los cálculos, se representan de manera gráfica y se comentan los resultados obtenidos. Estos resultados se comparan con los resultados obtenidos en campo y se observan las diferencias y desviaciones existentes. Tras la obtención y el estudio de los resultados, se llegó a la conclusión de que el proyecto cumple con los requisitos que se propusieron para el mismo, es decir, reducir la influencia del sentido de circulación de los trenes, reducir los desplazamientos y las tensiones verticales, homogeneizar la variación de la rigidez de la vía a lo largo de toda la zona de transición y reducir los costes de construcción de la zona de transición.

ABSTRACT: There are numerous singular points along the railway track. Track transition zones are a possible solution to solve these singularities. Track transitions are a good solution when going from ballast track (traditional track) to slab track o ballast less track commonly used in track structures such as bridges, viaducts, tunnels, stations, level crossings, etc. The track transition solution is known several years ago, as there are a lot of solutions to this problem but most of them without optimal results. Here there is a new solution, the DINATRANS solution, a new model of track transition. In this sense this new solution tries to improve the current ones, with economic and mechanical improvements. The objective of this final Master Thesis is to check these mechanical properties through numerical simulations and make comparisons with initial measurements in a real prototype. These real measurements will serve to compare with numerical results and find a correlation between them. First of all, geometry and materials of all elements used to build the models are described. In order to make the study and analysis two programs have been used, a 2D program called DARTS Dynamic analysis of rail track systems which allow a dynamic analysis for different velocity steps and 3D finite element modelling which allows 3D numerical analysis. All of them will serve us to check the track performance. For all cases will be check in order to see vertical displacements on sleepers, shear stresses in rails, vertical accelerations in sleepers and the slab track. All results are depicted in figures for a better understanding and they are discussed. These numerical results are also used to compared with real prototype measurements to see if they can simulate this special track behaviour. Differences and deviations will be commented and justified. After this study and analysis, we can conclude that DINTRANS solution comply with project objectives which were; reduce the influence of train direction over the track infrastructure, achievement in vertical displacements and shear stress in rails, homogenize track stiffness variation and reduce construction costs.