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La Clave | Investigación aplicada en la ingeniería 2
Proyecto HP-RAIL: tecnologías inteligentes y materiales de altas prestaciones para la próxima generación de estructuras ferroviarias
Miguel del Sol-Sánchez
Profesor contratado. Laboratorio de Ingeniería de la Construcción de la Universidad de Granada (LabIC.UGR).
M.ª Carmen Rubio-Gámez
Catedrática de Universidad. Laboratorio de Ingeniería de la Construcción de la Universidad de Granada (LabIC.UGR).
Fernando Moreno-Navarro
Profesor titular de Universidad. Laboratorio de Ingeniería de la Construcción de la Universidad de Granada (LabIC.UGR).
Vicente Pérez Mena
Director Técnico de Asfaltos. CEPSA.
Esther Tomás Fortún
Centro de Investigación Elpidio Sánchez Marcos (CIESM).
El transporte ferroviario aporta una serie de ventajas medioambientales, económicas y sociales que lo sitúan como un pilar fundamental en la cohesión social y competitividad económica de un país a través de la movilidad de personas y mercancías de forma segura y eficiente. En este sentido, para conservar estos beneficios resulta imprescindible disponer de una infraestructura de prestaciones mecánicas y funcionales que permitan adoptar los continuos cambios y la evolución en el sector ferroviario buscando la circulación de trenes a mayor velocidad de forma segura y eficiente, a través de vías con altos índices de calidad y con reducidas necesidades de mantenimiento geométrico. Este es el contexto en el que se enmarca el proyecto HP-Rail, que tiene el objetivo principal de desarrollar nuevos materiales de altas prestaciones mecánicas e inteligentes, más resistentes y duraderos, que permitan la monitorización de las cargas transmitidas a la vía en tiempo real.
Palabras clave: Transporte, movilidad, trenes, vías, mantenimiento, materiales de altas prestaciones.
Rail transport provides a series of environmental, economic, and social advantages, which establishes it as a fundamental pillar in the social cohesion and economic competitiveness of a country, through the safe and efficient mobility of people and goods. In order to preserve these benefits, it is essential to maintain an infrastructure with mechanical and functional features that enable it to adopt the continuous changes and evolution in the railway sector while seeking the movement of trains at a higher speed both safely and efficiently along tracks with high-quality indices and reduced needs for track geometry maintenance. This is the context in which the HP-Rail project is framed, whose main objective involves developing new high-performance mechanical and intelligent materials of greater resistance and durability that enable the monitoring of the loads transmitted to the track in real time.
Keywords: Transport, mobility, trains, railways, maintenance, high-performance materials.
El ferrocarril es uno de los medios de transporte más eficientes desde el punto de vista energético, menos contaminantes, y más seguros (Eurostat, 2022) y, por tanto, está llamado a ser uno de los pilares fundamentales en el desarrollo de los países y la interconexión entre grandes núcleos de población (López-Pita, 2006; EU mobility and Transport, 2022). No obstante, este hecho también lleva asociada la demanda de infraestructuras de altas prestaciones, más resistentes y tecnológicas, que permitan hacer frente al incremento de las solicitaciones a las que se verán sometidas (Dalkic et al, 2017; Pagliara, 2017; Pagliara et al, 2017).
La red ferroviaria de la mayoría de los países desarrollados sigue estando compuesta por infraestructuras tradicionales, muy similares a las que se construían a los inicios de este medio de transporte (García, 2017; Eurostat, 2022), dando lugar a un sistema ineficiente que demanda frecuentes intervenciones de mantenimiento y consumo de recursos. Por ello, es necesario dar un salto generacional y modernizar la red ferroviaria a través de materiales más duraderos, sostenibles y tecnológicos que permitan responder a los nuevos retos planteados por los nuevos trenes (más rápidos y con mayor capacidad de carga). Además, desde un punto de vista económico, la modernización de los materiales de la vía ha de permitir la reducción de las intervenciones de mantenimiento que tienen lugar de forma periódica, lo que supone un coste medio anual entre 10 000 y 60 000 euros por km de vía, llegando en algunos casos hasta los 90 000 euros (Baumgartner, 2001; García, 2017; UIC-High speed, 2017). En este sentido, resulta fundamental desarrollar nuevos materiales de altas prestaciones capaces de hacer frente al incremento de las cargas dinámicas de los nuevos trenes, así como tecnologías que conviertan la infraestructura en un elemento clave de la gestión del transporte a través de elementos inteligentes que permitan su monitorización continua en tiempo real.
En base a estas consideraciones, el consorcio de investigación integrado por CEPSA, LabIC.UGR y CIESM decidió llevar a cabo el proyecto HP-RAIL (Smart technologies & high performance materials for the next railway generation) que tiene como objetivo principal el desarrollo materiales de altas prestaciones mecánicas e inteligentes con los que mejorar la rentabilidad económica durante la explotación de este medio de transporte, optimizar su eficiencia energética, mejorar la seguridad y proporcionar una infraestructura que permita albergar los avances de los nuevos trenes. Este proyecto ha sido financiado en la convocatoria RETOS-COLABORACIÓN de 2017 del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (RTC-2017-6510-4) y ha tenido un plazo de ejecución de casi 4 años.
Descripción del proyecto
La capacidad portante de la subestructura juega un papel fundamental en el comportamiento global de la vía, aumentando el módulo de rigidez del conjunto, mejorando la resistencia a la formación de asientos y dando lugar a una infraestructura de mayores prestaciones y calidad geométrica ante cualquier tipo de tráfico (Sol-Sánchez, M.; Pirozzolo, L.; Moreno-Navarro, F.; Rubio-Gámez, M. C., 2016). Sin embargo, para incrementar la capacidad portante se ha de disponer de grandes espesores de materiales granulares (balasto y subbalasto) con unos requerimientos muy elevados que condicionan su disponibilidad en la traza de la vía y que conllevan un elevado coste medioambiental.
En este contexto, el uso de materiales bituminosos de altas prestaciones puede ofrecer una solución eficiente y competitiva para hacer frente a las necesidades de la vía ferroviaria del futuro ya que incrementan notablemente su capacidad portante y también permiten impermeabilizarla y reducir las cargas que llegan a la plataforma. Por este motivo, el proyecto HP-RAIL se centró en el diseño de mezclas bituminosas de altas prestaciones capaces de soportar las cargas transmitidas por los trenes y ofrecer una mayor durabilidad en servicio que minimice las tareas de mantenimiento. Para ello, una de las tareas principales realizadas en el marco del proyecto fue el desarrollo de ligantes bituminosos químicamente mejorados, capaces de adaptarse a las frecuencias y amplitudes de carga transmitidas por el paso de los trenes para atenuar su impacto y minimizar su efecto en la infraestructura ferroviaria. En este sentido, se trabajó con diferentes tipologías de betunes base, modificadores poliméricos y aditivos, que fueron evaluados a partir de ensayos reológicos. Por otra parte, además de con las mezclas bituminosas tipo AC 22 tradicionalmente utilizadas como subbalasto, también se trabajó en el diseño de otros tipos de esqueletos minerales (cercanos a las mezclas SMA), con el objetivo de no solo proporcionar un elemento estructural con elevada capacidad portante, sino también con elevadas resistencias al punzonamiento y a la fisuración.
Asimismo, obtener información a tiempo real del estado de la vía ferroviaria y de la carga transportada por los trenes y el esfuerzo transmitido resulta de gran utilidad tanto para el administrador y como para el usuario, ya que permite controlar el tráfico de manera más eficiente y establecer límites de confort y de consumo energético del tren. Por este motivo, otra de las actividades principales del proyecto HP-RAIL se centró en el desarrollo de un sistema de bajo coste capaz de ser integrado en las mezclas bituminosas objeto de desarrollo de forma que permitiera analizar en tiempo real la respuesta estructural del conjunto ante el paso de los trenes, así como monitorizar las solicitaciones transmitidas (carga de cada eje y la aparición de defectos en la misma).
Etapas de diseño de los sistemas de monitorización de vía
Para ello, se desarrolló un sistema de sensores para la monitorización y auscultación capaces de ser integrados en los materiales bituminosos bajo criterios sostenibilidad y economía. Así, se realizó el diseño y la construcción de este sistema —que incluía la selección de los materiales, tipos de sensores, forma y tamaño de los componentes, dispositivos de alimentación, captadores y almacenaje de información, etc.—, así como su validación y la calibración de los esfuerzos o desplazamientos con respecto a la señal medida por los sensores.
Finalmente, durante el proyecto se llevó a cabo la validación de los materiales y de la tecnología desarrollados a través de ensayos de laboratorio a escala real 1:1 especialmente diseñados para tal fin. Dada la complejidad de estudio a causa de la presencia de distintos elementos de diversa naturaleza y con distintas propiedades mecánicas, al desarrollar nuevos materiales resulta necesario conocer su comportamiento dentro del conjunto de la sección ferroviaria, así como su influencia en la respuesta global y durabilidad bajo el paso repetido de vehículos.
Por este motivo, en el proyecto HP-RAIL se ha desarrollado un nuevo método de ensayo capaz de reproducir distintas configuraciones de la sección ferroviaria para analizar su respuesta global bajo las condiciones de carga y sobrecarga dinámica a las que se ve sometida la vía ferroviaria con el paso de vehículos. A partir de este nuevo ensayo se llevaron a cabo diferentes pruebas en laboratorio en las que se simuló el paso repetido de vehículos utilizando los materiales bituminosos de altas prestaciones con el sistema de monitorización integrado a fin de evaluar su capacidad para captar los movimientos de la vía ante el paso de los trenes.
De esta forma, se prestó especial atención a la aptitud de estos materiales para registrar los parámetros definidos durante su diseño, así como su capacidad para transmitir, procesar y almacenar la información de forma continua y a elevada frecuencia, lo que resulta imprescindible para su utilización en vías de ferrocarril ante la circulación a alta velocidad de los trenes. En este sentido, se llevaron a cabo las pruebas de laboratorio para probar la precisión de medida de los sensores y la repetitividad de los resultados obtenidos, lo cual resulta clave para conseguir un sistema eficaz y de confianza para su utilización a escala industrial. Asimismo, en esta fase de estudio se analizó la resistencia y durabilidad de los materiales bituminosos desarrollados, con el fin de determinar el diseño óptimo para su uso como elemento estructural de altas prestaciones en vías de ferrocarril de alta capacidad portante.
Principales desarrollos innovadores
El principal desarrollo innovador proporcionado por el proyecto HP-RAIL es una mezcla bituminosa de altas prestaciones mecánicas equipada con sensores piezoeléctricos, capaz de proporcionar secciones ferroviarias de alta capacidad de carga y durabilidad equipadas con un sistema económico de monitorización de vía.
Este desarrollo integra otros elementos altamente innovadores, como los betunes químicamente mejorados desarrollados para hacer frente a las cargas de alta frecuencia de los trenes de alta velocidad, o los sensores para el control de cargas y defectos en la geometría de la vía.
HP-RAIL se centró en diseñar mezclas bituminosas de altas prestaciones capaces de soportar las cargas transmitidas por los trenes
Los resultados obtenidos durante el proyecto pusieron de manifiesto que las mezclas de altas prestaciones desarrolladas proporcionan menores valores de deformación en el conjunto de la vía y, por tanto, conllevan un aumento de su durabilidad bajo condiciones de servicio severas.
Asimismo, se comprobó su mayor capacidad para reducir las tensiones transmitidas a los apoyos, dando lugar a menores velocidades de asiento de la plataforma. Los gráficos de la derecha muestran de forma cuantitativa las mejoras mecánicas introducidas en términos de transmisión de tensiones, deformaciones y ciclos hasta fallo al utilizar las mezclas con los ligantes y esqueletos minerales especialmente desarrollados al amparo de HP-RAIL (PMB 10/40-70). En ellas se observa claramente como las prestaciones ofrecidas por los materiales tradicionales utilizados como subbalasto bituminoso son muy inferiores a las de los desarrollados en HP-RAIL.
Así, los resultados demostraron que, en términos generales, la solución desarrollada en HP-RAIL podría permitir un aumento de la capacidad portante de la subestructura del 60%, elevando la rigidez del conjunto de la vía en torno al 25% y disminuyendo el asiento al final del ensayo en un 7%, y la tendencia al asiento en aproximadamente un 12%. Además, se demostró que el sistema de sensores incorporado en ellas puede detectar las cargas aplicadas sobre el carril, diferenciando los distintos ejes de carga.
Conclusiones
El proyecto HP-Rail pretende ofrecer un salto generacional de la sección ferroviaria mediante el desarrollo de nuevos materiales que permitan incrementar la capacidad portante y durabilidad de la infraestructura, así como minimizar las tareas de mantenimiento y optimizar el consumo de materias primas. En este sentido, los resultados del estudio demostraron que es posible obtener un sistema de monitorización de vía basado en la medida de sus oscilaciones a través de la incorporación de piezoeléctricos embebidos en una capa de material bituminoso.
Tensión transmitida por cada material bajo distintas condiciones de servicio
Deformación horizontal según la plataforma de apoyo del material
Resistencia a la fatiga bajo distintas condiciones de carga
Los ensayos a escala 1:1 realizados para reproducir la sección de vía real, demostraron que el uso de los materiales bituminosos desarrollados en este proyecto permite aumentar la resistencia y durabilidad de la estructura ferroviaria reduciendo la tendencia al asiento del conjunto de la vía y aumentando su capacidad de carga. Además, se identificó que estas ventajas podrían ser incluso más significativas ya que permiten reducir las tensiones transmitidas a capas subyacentes, lo que podría alargar aún más la vida de servicio de la subestructura de la vía.
Agradecimientos
Este proyecto ha sido financiado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), Gestionado por el Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad en el marco del Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación, con número de expediente RTC-2017-6510-4, con el objetivo de promover el desarrollo tecnológico, la innovación y una investigación de calidad.
Es posible obtener un sistema de monitorización de vía basado en la medida de sus oscilaciones
Referencias
1
Baumgartner, J.P. (2001). Prices and costs in the railway sector. École Polytechnique Fédérale de Lausane.
2
Dalkic, G.; Tuydes-Yaman, H.; Delaplace, M. (2017). An evaluation of the high speed rail impact on tourim sector in Turhey. International Congress on High-Speed Rail. Ciudad Real, España.
3
EU mobility and transport (2022). Statistical pocketbook 2022. Recuperado 26 de diciembre de 2022 de https://transport.ec.europa.eu/media-corner/publications/statistical-pocketbook-2022_en.
4
Eurostat. EU Statistical (2022). Statistical pocketbook 2022. Recuperado 26 de diciembre de 2022 de https://ec.europa.eu.
5
García, A. (2017). Were there alternatives for the construction of a high-speed network in Spain? International Congress on High-Speed Rail. Ciudad Real, España.
6
López-Pita, A. (2006). Infraestructuras Ferroviarias. Universidad Politécnica de Cataluña.
7
Pagliara, F. (2017). The impact of transportation technologies on turism: some evidence from the high speed rail proyect in Italy. International Congress on High-Speed Rail. Ciudad Real, España.
8
Pagliara, F.; Menicocci, F.; Vassallo, M.; Gomez, J. (2017). Economic, geographical and time-based exclusions as main factors inhibiting Spanish users from choosing high speed rail. International Congress on High-Speed Rail. Ciudad Real, España.
9
Sol-Sánchez, M.; Pirozzolo, L.; Moreno-Navarro, F.; Rubio-Gámez, M.C. (2016a). A study into the mechanical performance of different configurations for the railway track section: A laboratory approach. Journal of Engineering Structures (119) pp. 13-23.
10
UIC – International Union of Railway (2017) High Speed. Fast track to sustainable mobility. Recuperado 28 de diciembre de 2022 de https://uic.org/IMG/pdf/high_speed_brochure.pdf.