Análisis crítico del método de la impronta/LIR para el cálculo dinámico de puentes de ferrocarril de alta velocidad ante el paso de composiciones regulares: aplicación al proyecto de estructuras isostáticas de distintas luces

Abstract

[EN] Current railway bridge calculus for high-speed trains is based upon standard EN 1991-2, which establishes 200 km/h as the speed limit beyond which dynamic calculus is compulsory, and also establishes model HSLM-A as a group of trains whose dynamic effects should envelop articulated, conventional and regular trains that comply with requirements stated in Annex E from aforementioned standard. A study of regular trains, with characteristics inside limits stated in Annex E, has been accomplished using point-loads model method and it shows high accelerations, greater than serviceability limits and HSLM-A model results, for train speed between 180 and 220 km/h on critical simply supported beam bridges. This speed range can be of interest for new moderately-high-speed railway as well as for reinforcing and adapting current railways for an increase in commercial speed. Formulation of LIR method has been examined, being a simplifyed method for dynamic calculus on simply supported beam bridges. LIR has shown good approximation in studied critical cases and a new expression for bogie factor has been developed which includes damping effect. Using mathematical concepts such as dynamic signature and bogie factor, it has been found out that destructive interference between vibration waves from bogie axles are causing the model HSLM-A to fall under regular trains effects, in the ground of aforementioned conditions of speed and bridges. This finding has made possible to create a new model, HSLM-C, which changes interference state just by modifying bogie wheelbase from HSLM-A. The new model is intended to supplement current model in the specific wavelenght range where HSLM-A shows destructive interference, and thereby reach regular train effects. Using mathematical tools and experience from former analysis, a group of conventional trains has been created which complies with Annex E limits and also shows high acceleration issues, beyond HSLM-A envelop, in same conditions as studied regular trains. Model HSLM-C has been adjusted to envelop also these conventional trains. Results obtained in these studies have been applied to recalculate the bridge on K.P. 25+240 Málaga-Fuengirola railway following IAPF-07 and EN 1991-2 standards, adding also dynamic calculus using regular trains and HSLM-C model. This example leads to recognise the effect that those studied phenomenons have over simply supported short bridges projects. It has been thereby demonstrated that standard load model flaws might lead to wrong structural desing which regards traffic security and structure maintenance.

[CA] El càlcul actual de ponts de ferrocarril per a línies d¿alta velocitat es fonamenta en la norma EN 1991-2, on s¿establix en 200 km/h el límit a partir del qual resulta obligatori realitzar un càlcul dinàmic, i s'establix el model HSLM-A com a conjunt de trens estàndard els efectes dinàmics dels quals han de envoltar trens articulats, convencionals i regulars que compleixen els requisits establerts a l'Annex E de la citada norma. S'ha dut a terme un estudi mitjançant models de càrregues puntuals on s'ha verificat que trens regulars amb característiques dins d'aquests límits proporcionen acceleracions notablement majors als límits de servei i a les que proporciona el model HSLM-A, tot plegat per a velocitats entre 180 i 220 km/h a sobre de ponts isostàtics crítics. Aquest interval de velocitats resulta d'interés tant al projecte de noves línies de velocitat moderadament alta, com al reforç i adecuació de línies existents per a augments de velocitat comercial. S'ha comprobat la formulació del mètode LIR, de càlcul dinàmic simplificat de ponts isostàtics, verificant que representa una bona aproximació en els casos crítics estudiats. A partir d'aquestes equacions s'ha desenvolupat una nova expressió del factor de bogie que inclou amortiguament. Utilitzant els conceptes matemàtics d¿empremta dinàmica i factor de bogie s'ha aconseguit demostrar que la interferència destructiva entre les ones de vibració dels eixos de cada bogie, als trens del model HSLM-A, es la responsable del seu defecte en envoltar trens regulars en les condicions abans esmentades. Aquesta troballa ha permés generar un nou model, HSLM-C, que elimina l'estat d'interferència entre els eixos, simplement modificant l'empat de bogies del model HSLM-A. Aquest nou model es complementari de l'actual per a envoltar trens regulars a les longituds d'ona en que el HSLM-A patix interferència. Mitjançant les ferramentes i experiència obtingudes als anteriors anàlisi, s'han generat un conjunt de trens convencionals, que complint les condicions de l'Annex E presenten el mateix cas d'acceleracions notablement superiors al model HSLM-A, al mateix interval de velocitats i ponts estudiats amb els trens regulars. S¿ha pogut adaptar el model HSLM-C per a envoltar també aquestos trens convencionals. Els resultats d'aquests estudis s'apliquen al recàlcul del pas inferior P.K. 25+240 de la línia Málaga-Fuengirola, utilitzant els procediments de les normes IAPF-07 i EN 1991-2 i realitzant el càlcul dinàmic adicionalment amb trens regulars i el model HSLM-C. Amb aquest exemple pràctic es constata l'impacte dels fenòmens estudiats per al projecte real de ponts isostàtics de curtes llums. Es demostra així que el defecte al model de càlcul de la norma pot dur a un dimensionament erroni amb repercusió per a la seguretat del tràfic i el manteniment de la infraestructura.

[ES] El cálculo actual de puentes de ferrocarril para líneas de alta velocidad se basa en la norma EN 1991-2, donde se establece en 200 km/h el umbral sobre el cual resulta obligatorio realizar un cálculo dinámico, y se establece el modelo HSLM-A como conjunto de trenes estándar cuyos efectos dinámicos deben ser envolventes de trenes articulados, convencionales y regulares que cumplan los requisitos establecidos en el Anexo E de dicha norma. Se ha realizado un estudio mediante modelos de cargas puntuales donde se ha verificado que trenes regulares con características dentro de los límites del Anexo E proporcionan aceleraciones notablemente mayores a los límites de servicio y a las que proporciona el modelo HSLM-A, para velocidades entre 180 y 220 km/h sobre puentes isostáticos críticos. Este rango de velocidades resulta de interés tanto en el proyecto de nuevas líneas de velocidad moderadamente alta, como en el refuerzo y adecuación de líneas existentes para aumentos en la velocidad comercial. Se ha comprobado la formulación del método LIR, de cálculo dinámico simplificado de puentes isostáticos, verificando que representa una buena aproximación en los casos críticos estudiados. A partir de estas ecuaciones se ha desarrollado una nueva expresión del factor de bogie que incluye amortiguamiento. Utilizando los conceptos matemáticos de impronta dinámica y factor de bogie se ha conseguido demostrar que la interferencia destructiva entre las ondas de vibración de los ejes de cada bogie, en los trenes del modelo HSLM-A, es la responsable de su defecto en envolver trenes regulares en las condiciones antes mencionadas. Este hallazgo ha permitido generar un nuevo modelo, HSLM-C, que elimina el estado de interferencia entre ejes, simplemente modificando el empate de bogies del modelo HSLM-A. Este nuevo modelo es complementario del actual para envolver trenes regulares en las longitudes de onda en que el HSLM-A sufre interferencia. Mediante las herramientas y experiencia obtenidas con los anteriores análisis se han generado un conjunto de trenes convencionales, que cumpliendo las condiciones del Anexo E presentan el mismo caso de aceleraciones notablemente superiores al modelo HSLM-A, en el mismo rango de velocidades y puentes estudiados con los trenes regulares. El modelo HSLM-C ha podido adecuarse para envolver también estos trenes convencionales. Los resultados de estos estudios se aplican al recálculo del paso inferior P.K. 25+240 de la línea Málaga-Fuengirola, utilizando los procedimientos de las normas IAPF-07 y EN 1991-2 y realizando el cálculo dinámico adicionalmente con trenes regulares y el modelo HSLM-C. Con este ejemplo práctico se constata el impacto de los fenómenos estudiados en el proyecto real de puentes isostáticos de luces cortas. Se demuestra así que el defecto en el modelo de cálculo de la norma puede llevar a un dimensionamiento erróneo con repercusión en la seguridad del tráfico y en el mantenimiento de la infraestructura.