Vibraciones
en las Vías de Ferrocarril
Referencia: Vidal M. A.
(2009), Vibraciones en las Vías de
Ferrocarril. Universidad Politécnica de Cataluña. España. Recuperado de: http://upcommons.upc.edu/handle/2099.1/8478
1. vibraciones en las
vías.
El paso de trenes de alta velocidad genera un gran nivel de
tensiones en la estructura ferroviaria debido al aumento de las cargas que se
producen por el carácter dinámico de los esfuerzos. Este aumento puede tener
múltiples focos de origen pero solo se produce debido a la acción de la carga
móvil desplazándose por la vía. En vías con balasto estos esfuerzos deben ser
amortiguados y absorbidos por la capa granular del balasto, que sufre un
elevado nivel de vibraciones en sus partículas que puede llegar a afectar su
comportamiento mecánico, con fenómenos como la licuefacción del balasto, que
provoca una descompactación de los granos de la capa, y por tanto ve reducida
su capacidad de resistir los esfuerzos generados que se transmiten a través de
la traviesa.
1.2 Efectos dinámicos
La interacción dinámica entre vehículo y carril (en
esfuerzos verticales) puede representarse de forma razonable mediante multitud
de modelos. La figura 3.2 da un ejemplo claro de un modelo discreto de suspensión
del vehículo por muelles y amortiguadores, una viga soportada por otro sistema
de mulles y amortiguadores que representa el sistema placa de
asiento/traviesa/balasto, y finalmente el sistema de contacto hertziano para
describir el contacto entre rueda y carril.
1.3 Rigidez vertical de la vía
Rigidez vertical de la vía La rigidez vertical de la vía
depende de la rigidez de sus componentes: carril, placa de asiento, fijaciones,
balasto, subbalasto y plataforma. Esta se obtiene teniendo en cuenta las
consideraciones que se describen a continuación. Cuanto mayor es la rigidez
vertical de la vía, mayores son sus sobrecargas dinámicas sobre el carril según
la formulación de Prud’Homme (1970):
Donde:
• σ ∆QNS representa las sobrecargas dinámicas debidas a las
masas no suspendidas del material circulante.
• a ≈ ,0 42
• b es una variable relacionada con los defectos de vía y
del vehículo.
• v es la velocidad de circulación del vehículo, en Km/h.
• mNS es la masa no suspendida por rueda del vehículo, en
toneladas.
• k es la rigidez vertical de la vía, en t/mm.
1.4 Contacto
hertziano:
El contacto entre dos
cuerpos, y las acciones que tienen lugar al interactuar entre ellas es un
problema de mecánica clásica resuelto por Hertz en el siglo XIX. Por eso se usa
el termino de contacto hertziano para definir para definir el contacto entre la
rueda y el carril, que se produce a altas velocidades y en una superficie de
contacto muy pequeña.
1.5 Vibraciones
ocasionadas al paso de elementos fijos del tren y la vía:
En general las
vibraciones provocadas por elementos fijos del tren y la vía, están
caracterizadas por la frecuencia de paso por ejes y la frecuencia de paso por
los bogies y sus armónicos de orden superior, y por la frecuencia de pasos por
las traviesas. Elementos característicos de la vía y el tren
como las traviesas, bogies y ejes, están situados a una
distancia fija unos respecto a otros, esto representa un paso de cargas que se
repite de forma constante a medida que va pasando el tren a una cierta
velocidad, y que crea unas pulsaciones que se transmiten al carril, y en
consecuencia a las traviesas y finalmente al balasto. Estas vibraciones pueden
provocar frecuencias de 5 a 25 Hz, y pueden llegar a ser muy similares a las
frecuencias propias de resonancia de puentes de ferrocarril, hecho que puede
provocar situaciones muy negativas como se expondrá más adelante.
En un mismo tren es posible distinguir diferentes mecanismos
generadores de vibraciones en la capa de balasto, que pueden actuar en
diferentes (aunque similares) bandas de frecuencias, dependiendo de la geometría
del tren y del paso periódico de sus elementos y los de la vía:
• M = Distancia entre bogies.
• L = Distancia entre
bogies equivalentes de un a otro vagón.
• a = Distancia entre
ejes de un mismo bogie.
• d = Distancia entre traviesas.
