Abstract
Es conocido que las dimensiones de los puentes de ferrocarril han ido cambiando
debido a las estrictas condiciones de trazado impuestas en las líneas de alta velocidad.
Además, la creciente preocupación de la sociedad por cuidar y proteger el
medio ambiente, reflejado en la correspondiente normativa, ha generado nuevos condicionantes
en el diseño de estas infraestructuras. En concreto, se ha limitado el
movimiento de grandes volúmenes de terreno particularmente en los espacios protegidos.
Por estas razones, hoy en día se proyectan y construyen puentes de ferrocarril
más altos y más largos en todo el mundo.
En España se han construido varios viaductos de pilas altas para líneas de alta velocidad.
Ejemplos de estas infraestructuras son el Viaducto O’Eixo y el Viaducto
de Barbantiño, situados en la línea de alta velocidad Madrid-Galicia, Estos viaductos
altos se caracterizan por tener una mayor flexibilidad lateral y una frecuencia
fundamental de oscilación baja, de hasta 0.2 Hz.
La respuesta dinámica de este tipo de estructura puede aumentar como consecuencia
de la aproximación entre la frecuencias propias de la misma y las de excitación
debidas al paso del tren y a la acción del viento. Por lo tanto, estas estructuras
pueden presentar problemas a la hora de cumplir con las limitaciones impuestas en
las normas de diseño de puentes de ferrocarril, y otras, para garantizar la seguridad
del tráfico y el confort de los viajeros.
La respuesta dinámica lateral de viaductos de pilas altas no ha sido suficientemente
estudiada en la literatura científica. Se pueden intuir varios de los motivos para
explicar esta carencia. El primero es la relativamente reciente aparición de este tipo
de viaductos asociados al desarrollo de la alta velocidad. Por otro lado, se hace
necesario, para estudiar este tema, construir nuevos modelos numéricos adecuados
para el estudio de la interacción dinámica lateral del puente y del tren.
La interacción entre el puente y un tren viajando sobre él es un problema dinámico
no lineal, dependiente del tiempo y de acoplamiento entre los dos subsistemas que
intervienen (vehículo y puente). Los dos subsistemas, que pueden ser modelados
como estructuras elásticas, interaccionan el uno con el otro a través de las fuerzas
de contacto, que tiene una marcada naturaleza no lineal por el rozamiento entre
rueda y carril, y por la geometría de los perfiles de estos dos elementos en contacto.
En esta tesis, se desarrolla la formulación completa de un modelo no lineal de interacción
tren-vía-puente-viento que reproduce adecuadamente las fuerzas laterales
de contacto rueda-carril, fuerzas que van a tener una gran influencia en los índices de seguridad del tráfico. Este modelo se ha validado a partir de casos resueltos en
la literatura científica, y de medidas experimentales tomadas en eventos dinámicos
ocurridos en los viaductos de Arroyo de Valle y Arroyo de las Piedras. Puentes altos
que han estado monitorizados en servicio durante dos años.
En los estudios realizados en este trabajo, se cuantifican, empleando el modelo construido,
los niveles de seguridad del tráfico y de confort de los pasajeros de trenes
ligeros de alta velocidad, como el tren articulado AVE S-100, que viajan sobre viaductos
altos sometidos, o no, a fuertes vientos laterales racheados.
Finalmente, se ha obtenido el grado de mejora de la seguridad del tráfico y del
confort de los viajeros, cuando se emplean pantallas anti-viento en el tablero y
amortiguadores de masa sintonizados en la cabeza de las pilas de un viaducto alto.
Resultando, el uso simultaneo de estos dos dispositivos (pantallas y amortiguadores
de masa), en puentes altos de líneas de alta velocidad, una opción a considerar en la
construcción de estas estructuras para elevar significativamente el nivel de servicio
de las mismas. It is known that dimensions of railway bridges have been changing due to the strict
high-speed lines layout parameters. Moreover, the growing concern of society to
take care of and protect the environment, reflected in the corresponding regulations,
has created new environment requirements for the design of these infrastructures.
Particularly, the mentioned regulations do not allow designers to move far from
terrain to build these railway lines. Due to all these reasons, longer and higher
railway bridges are being designed and built around the world.
In Spain, several high pier railway viaducts have been built for high speed lines.
Barbantiño Viaduct and Eixo Viaduct, belonging to the Madrid-Galicia high speed
line, are examples of this kind of structures. These high viaducts have great lateral
flexibility and a low fundamental vibration frequency of down to 0.2 Hz.
The dynamic response of high speed railway bridges may increase because of the
approximation between the natural viaduct frequencies and the excitation ones due
to the train travel and the wind action. Therefore, this bridge response could not
satisfy the serviceability limits states, for traffic safety and for passenger comfort,
considered by the design standards of high speed bridges. It is difficult to find papers
in the scientific literature about the lateral response of high-speed trains travel over
long viaducts with high piers. Several reasons could explain this issue. On one hand,
the construction of this kind of viaduct is relatively recent and it is associated to
the development of the high speed railway. On the other hand, in order to study the
dynamic lateral interaction between the train and the high bridge, it is necessary to
build new numerical and complex models.
The interaction between the bridge-track subsystem and the vehicle subsystem travelling
over the bridge is a coupling, nonlinear and time dependent problem. Both
subsystems, train and bridge, which can be modelled as elastic structures, interact
each other through the contact forces. These forces have a strong nonlinear nature
due to the friction and the geometry of rail and wheel profiles.
In this thesis, the full formulation of a train-track-bridge-wind nonlinear interaction
model is developed. This model can reproduce properly the lateral contact wheel-rail
forces, which have a great influence on traffic safety indices. The validation of the
model built has been reached through interaction solved cases found in the scientific
literature and experimental measures taken in dynamic events which happened at
Arroyo de las Piedras and Arroyo del Valle Viaducts. These high bridges have been
controlled during two years of service by means of structural health monitoring. In the studies carried out for this thesis, the levels of traffic safety and passenger
comfort are quantified using the interaction model built, in the cases of high speed
and light trains, as AVE S-100, travelling over high pier bridges and with or without
lateral turbulent winds acting.
Finally, the improvement rate of the traffic safety and passenger comfort has been
obtained, when wind barriers are used at the bridge deck and tuned mass dampers
are installed at the pier heads of a high viaduct. The installation of both devices,
wind barriers and tuned mass damper, at the same time, turned out to be a good
option to be considered in the design of high pier railway viaducts, to improve
significantly the serviceability level of this kind of structures.
