El desarrollo de modos de transporte que combinan un reducido impacto ambiental con rapidez, seguridad y comodidad para el viajero, ha impulsado a los países occidentales a apostar por la alta velocidad ferroviaria. Estos avances en la ingeniería ferroviaria han resultado en la implementación de nuevas tipologías de vía que difieren de la convencional vía sobre balasto, compuesta por una capa de balasto sobre la cual descansan las traviesas que sostienen los carriles mediante las fijaciones. En particular, se han desarrollado nuevos diseños de vía en placa, que se presentan como una solución eficaz caracterizada por bajos costes de mantenimiento, gran estabilidad y una elevada calidad geométrica.
Uno de los factores más significativos en el diseño de puentes ferroviarios son los efectos dinámicos generados por las cargas móviles de los trenes. El reconocimiento de la importancia de la respuesta dinámica se remonta a los inicios del desarrollo del ferrocarril, y esta se ha acentuado con el avance de la alta velocidad, debido al posible acoplamiento entre la frecuencia de excitación generada por el tren y las frecuencias propias de la estructura, lo cual puede suponer una respuesta resonante de la interacción vía-estructura.
En el presente TFM se ha realizado un estudio numérico del comportamiento de puentes de alta velocidad de vía doble ante los efectos dinámicos considerando tanto la flexión como la torsión. Para ello, se han modelado puentes de trenes de alta velocidad mediante modelos de elementos finitos en ANSYS. A partir de los 5508 modelos calculados, se realiza un análisis para determinar qué tipo de vía es óptimo para longitudes de vano de 15, 20, 25 y 30 m. Además de la vía sobre balasto, se estudian las vías en placa monolítica, que consiste en una losa continua de hormigón armado ejecutada en obra; y el sistema de vía en placa independiente, formado por placas de hormigón prefabricadas separadas del tablero mediante una manta elastomérica.
Los viaductos estudiados están formados por tableros de 14 m de ancho en los que hay una vía para cada sentido de circulación. Los esfuerzos dinámicos de torsión en los sistemas de alta velocidad se activan cuando los trenes pasan por una de las vías, debido a la excentricidad de las vías con respecto al eje del puente, con velocidades en el rango de 200 y 360 km/h.
Los resultados de los modelos utilizados para el análisis han incluido los desplazamientos y las aceleraciones en el centro de vano del puente, tanto del tablero como de la vía. Además, se ha estudiado la influencia de los giros en los apoyos y en el centro de vano. Los análisis y resultados obtenidos demuestran que los sistemas de vía en placa pueden ser una solución efectiva para reducir los efectos dinámicos en puentes ferroviarios a velocidades altas en vanos cortos. A partir del estudio realizado en los apoyos del puente, se comprueba que la influencia de la rigidez en los apoyos de puentes de vanos cortos es notablemente alta para vía en placa.
ABSTRACT
The development of transportation modes that combine low environmental impact with speed, safety, and comfort for travelers has led Western countries to invest in high-speed rail. These advances in railway engineering have resulted in the implementation of new track types that differ from the conventional ballast track. It consists of a layer of ballast on which the sleepers rest, holding the rails through fastenings. New slab track designs have been developed, presenting an effective solution characterized by minimal maintenance costs, high stability, and elevated geometric quality.
One of the most significant factors in the design of railway bridges is the dynamic effects generated by the moving loads of trains. The importance of dynamic response has been recognized since the early days of railway development. It has been accentuated with the advancement of high-speed rail due to the potential coupling between the excitation frequency generated by the train and the natural frequencies of the structure. This effect can lead to a resonant response of the track-structure interaction.
In this TFM (Master’s Thesis), a numerical study of the behaviour of high-speed double-track railway bridges under dynamic effects, considering both bending and torsion, has been conducted. High-speed train bridges have been modeled using finite element models in ANSYS. Based on the 5,508 calculated models, an analysis has been conducted to decide which type of track is best for span lengths of 15, 20, 25, and 30 meters. Besides the ballast track, the study examines monolithic slab tracks, consisting of a continuous reinforced concrete slab cast in place, and the independent slab track system, formed by prefabricated concrete slabs separated from the deck by an elastomeric layer.
The viaducts studied consist of decks 14 meters wide, each with a track for one direction of travel. The dynamic torsion stresses in high-speed systems are activated when trains pass on one of the tracks, due to the eccentricity of the tracks concerning the bridge axis, with speeds ranging from 200 to 360 km/h.
The results of the models used for the analysis included displacements and accelerations at the midspan of the bridge, for both the deck and the track. Additionally, the influence of rotations at the supports and the midspan was studied. The analyses and results obtained show that ballastless track systems can be an effective solution to reduce dynamic effects on railway bridges at high speeds in short spans. From the study conducted on the bridge supports, it is verified that the influence of support stiffness on short-span bridges is notably high for ballastless track.
El desarrollo de modos de transporte que combinan un reducido impacto ambiental con rapidez, seguridad y comodidad para el viajero, ha impulsado a los países occidentales a apostar por la alta velocidad ferroviaria. Estos avances en la ingeniería ferroviaria han resultado en la implementación de nuevas tipologías de vía que difieren de la convencional vía sobre balasto, compuesta por una capa de balasto sobre la cual descansan las traviesas que sostienen los carriles mediante las fijaciones. En particular, se han desarrollado nuevos diseños de vía en placa, que se presentan como una solución eficaz caracterizada por bajos costes de mantenimiento, gran estabilidad y una elevada calidad geométrica.
Uno de los factores más significativos en el diseño de puentes ferroviarios son los efectos dinámicos generados por las cargas móviles de los trenes. El reconocimiento de la importancia de la respuesta dinámica se remonta a los inicios del desarrollo del ferrocarril, y esta se ha acentuado con el avance de la alta velocidad, debido al posible acoplamiento entre la frecuencia de excitación generada por el tren y las frecuencias propias de la estructura, lo cual puede suponer una respuesta resonante de la interacción vía-estructura.
En el presente TFM se ha realizado un estudio numérico del comportamiento de puentes de alta velocidad de vía doble ante los efectos dinámicos considerando tanto la flexión como la torsión. Para ello, se han modelado puentes de trenes de alta velocidad mediante modelos de elementos finitos en ANSYS. A partir de los 5508 modelos calculados, se realiza un análisis para determinar qué tipo de vía es óptimo para longitudes de vano de 15, 20, 25 y 30 m. Además de la vía sobre balasto, se estudian las vías en placa monolítica, que consiste en una losa continua de hormigón armado ejecutada en obra; y el sistema de vía en placa independiente, formado por placas de hormigón prefabricadas separadas del tablero mediante una manta elastomérica.
Los viaductos estudiados están formados por tableros de 14 m de ancho en los que hay una vía para cada sentido de circulación. Los esfuerzos dinámicos de torsión en los sistemas de alta velocidad se activan cuando los trenes pasan por una de las vías, debido a la excentricidad de las vías con respecto al eje del puente, con velocidades en el rango de 200 y 360 km/h.
Los resultados de los modelos utilizados para el análisis han incluido los desplazamientos y las aceleraciones en el centro de vano del puente, tanto del tablero como de la vía. Además, se ha estudiado la influencia de los giros en los apoyos y en el centro de vano. Los análisis y resultados obtenidos demuestran que los sistemas de vía en placa pueden ser una solución efectiva para reducir los efectos dinámicos en puentes ferroviarios a velocidades altas en vanos cortos. A partir del estudio realizado en los apoyos del puente, se comprueba que la influencia de la rigidez en los apoyos de puentes de vanos cortos es notablemente alta para vía en placa.
ABSTRACT
The development of transportation modes that combine low environmental impact with speed, safety, and comfort for travelers has led Western countries to invest in high-speed rail. These advances in railway engineering have resulted in the implementation of new track types that differ from the conventional ballast track. It consists of a layer of ballast on which the sleepers rest, holding the rails through fastenings. New slab track designs have been developed, presenting an effective solution characterized by minimal maintenance costs, high stability, and elevated geometric quality.
One of the most significant factors in the design of railway bridges is the dynamic effects generated by the moving loads of trains. The importance of dynamic response has been recognized since the early days of railway development. It has been accentuated with the advancement of high-speed rail due to the potential coupling between the excitation frequency generated by the train and the natural frequencies of the structure. This effect can lead to a resonant response of the track-structure interaction.
In this TFM (Master’s Thesis), a numerical study of the behaviour of high-speed double-track railway bridges under dynamic effects, considering both bending and torsion, has been conducted. High-speed train bridges have been modeled using finite element models in ANSYS. Based on the 5,508 calculated models, an analysis has been conducted to decide which type of track is best for span lengths of 15, 20, 25, and 30 meters. Besides the ballast track, the study examines monolithic slab tracks, consisting of a continuous reinforced concrete slab cast in place, and the independent slab track system, formed by prefabricated concrete slabs separated from the deck by an elastomeric layer.
The viaducts studied consist of decks 14 meters wide, each with a track for one direction of travel. The dynamic torsion stresses in high-speed systems are activated when trains pass on one of the tracks, due to the eccentricity of the tracks concerning the bridge axis, with speeds ranging from 200 to 360 km/h.
The results of the models used for the analysis included displacements and accelerations at the midspan of the bridge, for both the deck and the track. Additionally, the influence of rotations at the supports and the midspan was studied. The analyses and results obtained show that ballastless track systems can be an effective solution to reduce dynamic effects on railway bridges at high speeds in short spans. From the study conducted on the bridge supports, it is verified that the influence of support stiffness on short-span bridges is notably high for ballastless track. Read More
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