STUDY, ANALYSIS AND DETERMINATION OF BUCKLING LOAD IN DUAL GAUGE TRACKS THROUGH ANALYTICAL AND NUMERICAL METHODS

Abstract

Conventional railway track is the structure consisting of the ballast or slab track, upon which sleepers, fasteners and two rails are laid, allowing the passage of trains equipped with a certain gauge. Due that trains cannot pass from a line with one track gauge to an-other (only possible where the difference between the two gauges is small), track gauge is a dominant parameter determining interoperability, used as a descriptor of a route or net-work. Where trains encounter a different gauge, a break-of-gauge occurs, which entails delays, costs, and inconveniences.

However, special situations such as the Spanish rail network can occur, where new in-teroperability and connection facilities have resulted in the construction of certain lines with dual gauge track. A dual gauge track configuration consists of three rails, where the two adjacent outer rails provide each of the gauges (1435 mm / 1668 mm), while the single outer rail is common to trains of both gauges. This new track structure is an important modification of the classical rail track with two rails and one gauge. In addition, long stretches of dual gauge tracks have not been implement-ed yet, so it is necessary to develop new methodologies and studies to understand its be-haviour. Specifically, with the use of continuous welded rails, variations in rail temperature produce compression stresses that, under certain circumstances, can led to dangerous lateral track displacements and train derailment.

With that motivation, this PhD Thesis is focused on an appropriate theoretical framework for conducting a study that evaluates the potential risk of buckling in dual gauge tracks. To accomplish this task, different methods and techniques in order to improve the knowledge of this phenomenon and track design. This approach will allow us to establish track condi-tions and maintenance works that ensures the stability of the dual gauge track under ther-mal and train loads. In addition, a risk based methodology allows us to revise and redefine conventional track design methods in order to increase track stability under thermal loads.

La superestructura de vía clásica está compuesta por una serie de capas portantes en las que se sitúan las traviesas o losas de hormigón y sobre las cuales se disponen 2 carriles que permiten la circulación de los vehículos, en base a su utilización con un único ancho de vía. Debido a que los vehículos ferroviarios no pueden circular desde una línea con un ancho de vía a otra con un ancho diferente (solo es posible si la diferencia de ancho es muy reducida) el ancho de vía se establece generalmente como un único valor común para toda una determinada red, pues de lo contrario se crean una serie de "fronteras" entre las líneas con diferente ancho de vía, lo que provoca importantes problemas en la explota-ción y gestión de la red.

No obstante, existen situaciones especiales como la que se produce en España, donde las circunstancias y las nuevas necesidades de conexión e interoperabilidad han dado como resultado la construcción de tramos ferroviarios de doble ancho o ancho mixto. La carac-terística fundamental de este tipo de vías es la dotación de un tercer carril, de tal forma que se parte de una vía de ancho ibérico (1.668 mm) sobre la que se dispone en su interior un tercer carril para conseguir el ancho estándar (1.435 mm).

Así pues, esta nueva configuración de vía supone una importante modificación respecto a la vía clásica de un ancho y 2 carriles. Además, el uso del tercer carril en tramos largos es totalmente novedosa, lo que obliga al estudio y análisis del comportamiento de esta nueva superestructura de vía. En especial, la vía debe resistir los esfuerzos longitudinales, pues el uso de la barra larga soldada genera esfuerzos térmicos en los carriles que pueden oca-sionar, bajo unas ciertas condiciones de vía, la desestabilización y, como resultado, impor-tantes deformaciones laterales con efectos muy perjudiciales.

Por ello, la presente tesis tiene por objeto el estudio teórico del riesgo de pandeo en vías de doble ancho mediante el uso de diferentes métodos y técnicas que permitan una mejor comprensión de este fenómeno y el diseño seguro de este tipo de vías. El análisis permiti-rá establecer las condiciones que aseguran el correcto funcionamiento de la superestruc-tura de vía antes las diferentes solicitaciones que debe soportar. Además, el planteamiento de una metodología de evaluación del riesgo de pandeo en vías de doble ancho permitirá la revisión y reformulación de criterios de diseño, aplicables a vías existentes o de nueva construcción, según las oscilaciones térmicas a las que esté sometida.

La superestructura de via tradicional està composta per una sèrie de capes portants en què se situen les travesses o lloses de formigó i sobre les que es disposen 2 carrils que permeten la circulació dels vehicles, segon l'ús d'un únic ample de via. Pel fet que els vehicles ferroviaris no poden circular des d'una línia amb un ample de via a una altra amb un ample diferent de la primera (només és possible si la diferència d'amples és molt reduïda), l'ample de via s'estableix generalment com un únic valor comú per a tota una determinada xarxa, ja que en cas contrari es generen una sèrie de "fronteres" entre línies amb diferent ample de via, el que produeix importants problemes tant en l'explotació com en la gestió de la xarxa.

No obstant això, existeixen situacions especials com la que es produeix a Espanya, on les circumstàncies i les noves necessitats de connexió i interoperabilitat han donat com a resultat la construcció de trams ferroviaris de doble ample o ample mixt. La característica fonamental d'aquest tipus de via d'ample mixt és la col·locació d'un tercer carril, de tal forma que partint d'una via d'ample ibèric (1.668 mm) es disposa a l'interior un tercer carril que permet aconseguir l'ample estàndard (1.435 mm).

Així, aquesta nova configuració de via suposa una important modificació respecte de la via clàssica d'un sol ample i 2 carrils. A més a més, l'ús del tercer carril en trams llargs és totalment nova, el que obliga a estudiar i analitzar el comportament d'aquesta nova estructura. En especial, la via ha de resistir els esforços longitudinals, degut a que l'ús del carril continu soldat genera càrregues d'origen tèrmic en els carrils que poden ocasionar, baix unes certes condicions de via, la desestabilització i, com a resultat, importants deformacions laterals amb efectes molt perjudicials.

Per açò, la present Tesi té com a objectiu l'estudi teòric del risc de pandeig en vies d'ample mixt (amb 3 carrils) a través de l'ús de diferents mètodes i tècniques tal que permeten un major coneixement d'aquest fenomen i el disseny segur d'aquest tipus de via. L'anàlisi permetrà establir les condiciones que asseguren el correcte funcionament de la superestructura de via enfront de les diferents càrregues que deu suportar. A més, el plantejament d'una metodologia d'avaluació del risc de pandeig en vies d'ample mixt permetrà la revisió i reformulació dels criteris de disseny, aplicables a vies existents o de nova construcció, d'acord amb les oscil·lacions tèrmiques a les quals estarà sotmesa.