Diseño e implementación de un sistema integrado de monitoreo para traviesas de ferrocarril

Abstract

RESUMEN: Las traviesas de hormigón pretensado son uno de los principales componentes de la vía ferroviaria clásica de balasto. Su papel es crucial para garantizar la integridad de la vía y la seguridad de las operaciones ferroviarias. Las traviesas se encuentran normalmente parcialmente embebidas en el balasto, por lo que es prácticamente imposible detectar a simple vista los primeros daños que puedan aparecer en ellas. En este contexto, adquiere especial relevancia el monitoreo y la auscultación de traviesas como parte de las labores del mantenimiento de vía. El monotireo permite detectar el deterioro prematuro de la traviesa, que no es más que una señal hacia el fallo estructural del componente ferroviario. Con el fin de apoyar el mantenimiento preventivo de la vía de balasto, un nuevo sistema de monitoreo ha sido diseñado para detectar los procesos de iniciación de fisura en traviesas de hormigón pretensado en servicio. Esta tesis doctoral presenta los resultados del diseño y desarrollo del nuevo sistema y de su implementación en vía, incluyendo la propuesta de una metodología experimental alternativa para evaluar la integridad estructural y el desgaste de las traviesas en servicio. El método propuesto está basado en los resultados obtenidos en campañas de monitoreo de traviesas utilizando el sistema desarrollado y las propiedades mecánicas del hormigón pretensado sometido a cargas cíclicas. Esta investigación comenzó con una revisión exhaustiva del estado del arte de las traviesas de hormigón pretensado. Este primer análisis puso de manifiesto el desarrollo desigual de las traviesas de hormigón en diferentes partes del mundo y reveló que, aparentemente, las principales causas del fallo en traviesas de hormigón a escala internacional son, actualmente, el daño provocado durante el bateo del balasto, el desgaste por fatiga de los hombros de la traviesa y la fisuración excesiva debida a cargas dinámicas, el daño por presión excesiva del balasto en el centro de la traviesa y la degradación medioambiental. A este respecto, las normativas internacionales actualmente en vigor para el diseño y la homologación de traviesas ferroviarias, incluyen en sus procedimientos de cálculo y ensayo factores de seguridad con el fin de considerar todos los efectos posibles que puedan tener un impacto en la integridad de la traviesa en la vía. La revisión del estado del arte también reveló que existen un gran número de sistemas y tecnologías de monitoreo utilizadas en la actualidad para la ausculatación de la vía férrea, las cuales están dirigidas a proporcionar información sobre el comportamiento de los componentes de la vía y el cambio de sus propiedades con el paso del tiempo. Cada sensor y técnica de auscultación presenta una serie de ventajas e inconvenientes, por lo que la selección de una tecnología de monitoreo determinada dependerá de la experiencia del aplicante, el ámbito del análisis y los recursos técnicos y económicos disponibles. Los conocimientos adquiridos tras revisar el estado del arte fueron aplicados para establecer los principios diseño de un nuevo sistema de monitoreo dirigido a traviesas de hormigón pretensado, capaz de compensar las desventajas de los sistemas actualmente en práctica y capaz de ofrecer un enfoque innovador. El sistema desarrollado se ha denominado “Sistema de Monitoreo Integrado” (IMS por sus siglas en inglés, “Integrated Monitoring System”). El sistema combina dos técnicas de detección tradicionales, galgas extensométricas y sistemas de medición de láser óptico. Las galgas extensométricas están alojadas dentro de la propia suela bajo carril constituyendo lo que se ha denominado como “sensing pad” y que permite detectar y medir las cargas por rueda ejercidas sobre la traviesa durante el paso de los trenes. El láser óptico está encapsulado y embebido dentro del propio cuerpo de la traviesa con el objetivo de detectar y medir las deflexiones causadas por las cargas ferroviarias y la condición del balasto independientemente del resto de elementos elásticos que conforman la estructura de vía. Estas pequeñas deflexiones, que normalmente son camufladas por las grandes deformaciones del carril, la sujección y el balasto, han sido denominadas “deflexiones relativas de la traviesa”. La implementación del nuevo sistema requirió del re-diseño de las traviesas de hormigón estándar para permitir la integración del sistema. Las traviesas re-diseñadas se identificaron como “traviesas-IMS”. Los materiales, métodos y procesos utilizados en el diseño, desarrollo, calibración y ensayo del sistema y de las traviesas-IMS siguieron estrictamente las normativas y estándares internacionales que están actualmente en vigor y son aplicables. Los primeros ensayos con traviesas-IMS y el sistema integrado fueron llevados a cabo en laboratorio en Alemania y permitieron verificar el correcto funcionamiento del sistema. La experiencia adquirida en estos ensayos, sirvió para diseñar el primer experimento de campo llevado a cabo en una vía férrea en Estados Unidos. Traviesas-IMS fueron instaladas en vía, equipadas y monitoreadas con el sistema desarrollado durante el paso de varios trenes de mercancias. El experimento comenzó con la re-calibración de los componentes del sistema en la propia vía. Los resultados obtenidos demostraron el funcionamiento adecuado de la tecnología de monitoreo y permitieron la cuantificación directa del comportamiento estructural de las traviesas de hormigón pretensado en servicio. En conexión con el sistema, también se propone en esta tesis una metodología experimental para determinar los procesos de iniciación de fisura en traviesas en vía. El método propuesto se apoya en el monitoreo de traviesas mediante el sistema IMS y el análisis estadístico de los datos obtenidos mediante modelos probabilísticos. Dado que el proceso de iniciación de fisura depende de varias propiedades de los materiales y parámetros de la vía, que a su vez dependen del factor tiempo, se ha llevado a cabo en primer lugar un análisis analítico. Los resultados y las conclusiones obtenidas de este análisis fueron posteriormente utilizados para realizar un análisis numérico mediante un Modelo de Elementos Finitos creado y calibrado a partir de los resultados obtenidos del experimento de campo. El análisis numérico permitió cuantificar la influencia que tienen los factores considerados en el análisis relativos a la traviesa y a la vía en los momentos flectores y las tensiones en el hormigón que conducen a la iniciación y el desarrollo de fisuras. Los resultados de los análisis – análitico y numérico – revelaron que los factores que tienen un impacto crucial en el proceso de iniciación de fisura son la resistencia a flexotracción del hormigón, el ratio de pérdidas de la fuerza de pretensado y las irregularidades de la propia vía y del balasto. Estos factores fueron considerados variables para desarrollar modelos probabilísticos capaces de describir el proceso de iniciación de fisura. Dos modelos fueron elaborados a partir de una muestra de datos generada con el Modelo de Elementos Finitos. El primer modelo está basado en distribuciones de probabilidad con el objetivo de obtener información sobre la condición estructural de las traviesas en el segmento de vía monitorizado. El segundo es un modelo de regresión lineal múltiple basado en variables cuantitativas y cualitativas que está dirigido a la predicción de la evolución del estado estructural de las traviesas en el tiempo. Esta metodología estadística y experimental, junto con las características enormemente prácticas e innovadoras del sistema IMS extienden el potencial de monitoreo del análisis estructural a la detección y predicción de los cambios del estado de las traviesas. Lo que pretende apoyar y fomentar las labores de mantenimiento preventivo de la vía ferroviaria. Por ello, la tesis finaliza proporcionando unas recomendaciones generales para la implementación del sistema IMS y su metodología asociada en los programas de matenimiento de vías de balasto.

ABSTRACT: Prestressed concrete sleepers (PCS) are one of the main components of classical ballasted railway tracks. Their role is crucial for ensuring track integrity and safe railway operations. Railway sleepers are usually partially embedded in the ballast bed, which makes it almost impossible to detect premature structural damages with the naked eye. As a result, the monitoring of PCS is especially relevant as part of the in-track-maintenance programs, as this enables the detection of sleeper deterioration, which is sign towards structural failure. To support the preventive maintenance of ballasted tracks, a new monitoring system has been designed for detection of crack-initiation processes on PCS in-service. This dissertation presents the results of the design and development of the new system and its implementation in track, including a proposal for an alternative experimental methodology to assess the structural integrity and wear of sleepers in-service. The proposed method has been developed on the basis of the results obtained from monitoring campaigns of sleepers by the developed system and the mechanical properties of prestressed concrete subjected to cyclic loads. This research began with a thorough review of the state-of-the-art of PCS. This comprehensive analysis evinced the uneven development of PCS in different parts of the world and indicated that, today, the main causes of sleeper failure at the international level are tamping damage, shoulder wear, cracking due to dynamic loads, center binding, and environmental degradation. In this regard, the current international standards for design and approval of PCS include safety factors in their calculation and test procedures to consider all effects that may have an impact on the integrity and structural performance of railway sleepers in-service. In addition, the state-of-the-art review revealed a large number of monitoring systems and technologies currently used for monitoring railway tracks to provide insights into the performance of the railway track components and the changes in their properties over time. Each monitoring system has advantages and drawbacks; therefore, it was concluded that the selection of a certain monitoring technology should be made on the basis of the applicant’s experience, the scope of the analysis and the available technical and economic resources. The knowledge gained from the state-of-the-art review was applied to establish the design principles of a new monitoring system focused on PCS and capable of compensating for the disadvantages of the current technologies and offering an innovative approach. The developed system is named the “Integrated Monitoring System” (IMS). It combines two traditional sensing techniques – strain gauges and laser-optic measurement. The strain gauges are housed in the rail pad to build a “sensing pad” that enables the detection and measurement of the wheel loads passing over the sleeper during train operation. The laser optic is encapsulated and embedded in the sleeper body to detect and measure the sleeper deflections caused by the wheel loads and the track condition, regardless of the other elastic components conforming the track structure. These small deflections – which are usually hidden by the greater deformations of the rail, the rail pad, and the ballast – have referred to in this dissertation as “relative sleeper deflections.” The implementation of the new system required the re-design of standard PCS. These re-designed sleepers have been termed “IMS-sleepers.” The materials, methods, and processes involved in the design, development, calibration, and testing of the developed system and the IMS-sleeper are in accordance with the current applicable standards and codes. The first tests of IMS-sleepers with the integrated system were conducted in a laboratory in Germany, and they allowed reliable verification of the correct system functionality. The experience gained through this testing contributed to the design of the first field experiment conducted on a test track in the United States. IMS-sleepers were installed in track and equipped and monitored by the developed system during train operation in a heavy-haul track. The experiment began with the re-calibration of the system components in the track. The results demonstrated the proper function of the monitoring technology and allowed straightforward quantification of the structural behavior of PCS in-service. In combination with the IMS, an alternative experimental methodology for determination of the crack-initiation process on PCS in track is proposed. The method is assisted by the monitoring of sleepers through IMS and statistical analysis of the obtained results by probabilistic models. Since the crack initiation process depends on several material properties and track parameters, which in turn are time-dependent, an analytical analysis of the factors affecting the process was conducted. The results and conclusions obtained from this analysis were then analyzed using a finite elements model (FEM) created and calibrated from the results obtained in the field experiment. This numeral analysis allowed the quantification of the influence of the considered sleeper and track factors on the bending moments and stresses that lead to the initiation and development of cracks. The results of the analytical and numerical analysis revealed that the factors that have a crucial impact on the crack initiation process are the concrete flexural tensile strength, the rate of losses of prestressing force, and the trackbed irregularities. These factors were considered variables for the development of probabilistic models able to describe the crack-initiation process. Based on a sample data generated by the FEM, two models were developed and introduced. The first is based on probability distributions and aims to provide insights into the structural condition of the sleepers on a monitored track segment. The second is a multiple regression model based on quantitative and qualitative variables, which is oriented to the prediction of the development of the sleeper condition over time. These experimental and statistical methodologies, together with the innovative and highly practical features of the IMS, expand the monitoring potential from structural analysis to detection and prediction of changes in the sleeper condition in track. This is intended to support and enhance the preventive maintenance of railway tracks. Therefore, some general recommendations are given at the end of this dissertation for implementation of the IMS and its methodology in the preventive maintenance programs of the ballasted tracks.