Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviarios con alta diferencia térmica

Trabajo realizado por: Rocío Bauzán García Dirigido por: Zacarías Grande Andrade Máster en: Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos Barcelona, 28 de Enero de 2025. Departamento de ingeniería civil y ambiental TRABAJO FINAL DE MÁSTER Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviarios con alta diferencia térmica Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 II Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 III RESUMEN Palabras clave: Variaciones térmicas, infraestructuras ferroviarias, seguridad, resiliencia, mitigación, materiales innovadores. El presente trabajo final de máster estudia el impacto de las variaciones térmicas en los carriles ferroviarios, un desafío crítico para la seguridad y durabilidad de estas infraestructuras. A lo largo del estudio, se analiza como las variaciones de temperatura, que cada vez son más extremas, en posible causa, por el cambio climático, afectan a la estabilidad de los carriles, generando tensiones internas que derivan en deformaciones, fatiga y posibles fallos estructurales, entre otros defectos. Para poner en contexto esta problemática, se revisan los componentes claves del sistema ferroviario que son los principales afectados por las variaciones térmicas, como son la infraestructura y la superestructura. Asimismo, se estudia brevemente la normativa vigente. Además, se analizan varios estudios científicos donde se detallan los efectos térmicos en los carriles. Entre las problemáticas que se detallan en dichos estudios, destacan la dilatación y contracción del acero, el debilitamiento de los anclajes y la acumulación de hielo, especialmente en regiones con amplias fluctuaciones de temperatura. A partir de esta base, se propusieron soluciones específicas para cada problemática, y se seleccionaron cuatro de ellas para evaluarlas dentro de la línea RL2 de los Ferrocarriles de la Generalitat de Catalunya. Estas incluyen: la instalación de almohadillas de caucho, instalar geotextil bajo el balasto, recubrir el carril ferroviario con pintura térmica especializada y monitorear el tramo de línea. Tras una evaluación técnica, económica y ambiental, la solución más adecuada resultó ser el uso de almohadillas reforzadas con caucho, por su coste moderado, durabilidad y facilidad de instalación. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 IV RESUM Paraules clau: Variacions tèrmiques, infraestructures ferroviàries, seguretat, resiliència, mitigació, materials innovadors. El present treball final de màster estudia l'impacte de les variacions tèrmiques en els carrils ferroviaris, un desafiament crític per a la seguretat i durabilitat d'aquestes infraestructures. Al llarg de l'estudi, s'analitza com les variacions de temperatura, que, possiblement a causa del canvi climàtic, són cada cop més extremes, afecten l'estabilitat dels carrils, generant tensions internes que deriven en deformacions, fatiga i possibles fallades estructurals, entre altres defectes. Per posar en context aquesta problemàtica, s’han revisat els components clau del sistema ferroviari que són els principals afectats per les variacions tèrmiques, com són la infraestructura i la superestructura. Així mateix, s'ha estudiat breument la normativa vigent. A més, s'han analitzat diversos estudis científics on es detallen els efectes tèrmics en els carrils. Entre les problemàtiques que es detallen en aquests estudis, destaquen la dilatació i contracció de l'acer, el debilitament dels ancoratges i l'acumulació de gel, especialment en regions amb àmplies fluctuacions de temperatura. A partir d'aquesta base, es van proposar solucions específiques per a cada problemàtica, seleccionant-ne quatre per avaluar-les dins de la línia RL2 dels Ferrocarrils de la Generalitat de Catalunya. Aquestes inclouen: la instal·lació de coixinets de cautxú, la instal·lació de geotèxtil sota el balast, el recobriment del carril ferroviari amb pintura tèrmica especialitzada i el monitoratge del tram de línia. Després d'una avaluació tècnica, econòmica i ambiental, la solució més adequada va resultar ser l'ús de coixinets reforçats amb cautxú, pel seu cost moderat, durabilitat i facilitat d'instal·lació. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 V ABSTRACT Keywords: Thermal variations, railway infrastructure, safety, resilience, mitigation, innovative materials. The aim of this master’s thesis is to study the impact of thermal variations on railway tracks, a critical challenge for the safety and durability of these infrastructures. Throughout the study, it is analyzed how temperature variations, which are increasingly extreme possibly due to climate change, affect the stability of the tracks, generating internal tensions that result in deformations, fatigue, and potential structural failures, among others. To contextualize this issue, the key components of the railway system most affected by thermal variations, such as infrastructure and superstructure, are reviewed. Additionally, the current regulations are briefly studied. Furthermore, several scientific studies are analyzed, detailing the thermal effects on the tracks. Among the issues highlighted in the former studies are the expansion and contraction of steel, the weakening of fastenings, and the accumulation of ice, especially in regions with significant temperature fluctuations. Based on this foundation, specific solutions for each issue were proposed, from which four were selected for evaluation within the RL2 line of the Ferrocarrils de la Generalitat de Catalunya. These include the installation of rubber pads, the installation of geotextile beneath the ballast, covering the railway track with specialized thermal paint, and monitoring the track segment. After a technical, economic, and environmental assessment, the most suitable solution was found to be the use of reinforced rubber pads, due to their moderate cost, durability, and ease of installation. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 VI Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 VII ÍNDICE 1.- INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 14 2.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS: ANÁLISIS DEL SISTEMA FERROVIARIO Y SU INSTALACIÓN. ESTUDIO DE DEFECTOS. NORMATIVA APLICABLE ... 17 2.1.- SISTEMA FERROVIARIO ................................................................................... 17 2.1.1.- Infraestructura .................................................................................................. 17 2.1.2.- Superestructura ................................................................................................ 18 2.1.2.1.- Vía: Carril .................................................................................................. 18 2.1.2.2.- Traviesas .................................................................................................... 22 2.1.2.3.- Sujeciones.................................................................................................. 24 2.2.- NORMATIVA VIGENTE ...................................................................................... 25 3.- REVISIÓN DE ARTÍCULOS CIENTÍFICOS SOBRE LA ESTABILIDAD DE CARRILES FERROVIARIOS EN ENTORNOS DE ALTA VARIACIÓN TÉRMICA .......................................................................................................................... 29 3.1.- “DEVELOPMENT OF A UNIFIED RAILWAY TRACK STABILITY MANAGEMENT TOOL TO ENHANCE TRACK SAFETY” ......................................... 30 3.2.- “THE EFFECT OF TEMPERATURE ON RAILWAY ROLLING NOISE” ......... 35 3.3.- “MODELLING OF RAIL SURFACE TEMPERATURES” .................................. 40 3.4.- “REAL-TIME MONITORING OF THE LONGITUDINAL STRAIN OF CONTINUOUS WELDED RAIL FOR SAFETY IMPROVEMENT” ........................... 46 3.5.- “FUTURE PROJECTIONS OF TEMPERATURE-RELATED CLIMATE CHANGE IMPACTS ON THE RAILWAY NETWORK OF GREAT BRITAIN” ........... 50 3.6.- “IMPACTS OF CLIMATE CHANGE ON OPERATION OF THE US RAIL NETWORK” .................................................................................................................... 54 3.7.- “RISK OF INCREASING TEMPERATURE DUE TO CLIMATE CHANGE ON OPERATION OF THE SPANISH RAIL NETWORK” ................................................... 58 3.8.- DESARROLLO FINAL DEL ANÁLISIS DE ARTÍCULOS.............................. 62 4.- METODOLOGÍAS DE ACTUACIÓN .................................................................... 67 4.1.- SOLUCIONES PARA EL EFECTO DE LA DILATACIÓN DEL CARRIL ..... 69 4.2.- SOLUCIONES PARA LA FATIGA Y EL DEBILITAMIENTO DEL ANCLAJE .......................................................................................................................................... 70 4.3.- SOLUCIONES PARA LA REDUCCIÓN DE LA RESISTENCIA LATERAL 71 4.4.- SOLUCIONES PARA LA CONTRACCIÓN....................................................... 71 Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 VIII 4.5.- SOLUCIONES PARA LA RIGIDEZ EXTREMA DEL ANCLAJE ................... 73 4.6.- SOLUCIONES PARA LA ACUMULACIÓN DE HIELO ................................. 73 5.- MEDIDAS DE IMPLANTACION LA LINEA DE LOS FGC RL2 (LLEIDA PIRINEUS – LA POBLA DE SEGUR) .......................................................................... 75 5.1.- ANÁLISIS DE TEMPERATURAS MÁXIMAS, MÍNIMAS Y MEDIAS ........ 77 5.2.- PROPUESTAS PARA MITIGAR LOS EFECTOS DEL CAMBIO CLIMÁTICO EN EL TRAMO DE LA RL2 (LLEIDA PIRINEUS – LA POBLA DE SEGUR)...... 82 5.2.1.- Almohadillas reforzadas con caucho .............................................................. 82 5.2.1.1Análisis de coste ......................................................................................... 84 5.2.2.- Geotextiles bajo el balasto............................................................................... 87 5.2.2.1Análisis de coste ......................................................................................... 88 5.2.3.- Recubrimientos térmicos ................................................................................. 92 5.2.3.1.- Análisis de coste ........................................................................................ 93 5.2.4.- Monitorización ................................................................................................. 96 5.2.4.- Análisis medioambiental ............................................................................... 101 6.- CONCLUSIONES ..................................................................................................... 103 7.- ANÁLISIS DE SOSTENIBILIDAD E IMPLICACIONES ÉTICAS ............... 106 8.- REFERENCIAS ......................................................................................................... 107 9.- ANEXOS ..................................................................................................................... 109 9.1.- Análisis de coste (TCQ): Instalación de almohadillas reforzadas con caucho . 110 9.2.- Análisis de coste (TCQ): Instalación de geotextiles bajo el balasto .................. 112 9.3.- Análisis de coste (TCQ): Recubrimiento térmico del riel .................................. 114 9.4.- Análisis de coste (TCQ): Monitorización del tramo de vía férrea. .................... 116 Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 IX LISTADO DE ABREVIATURAS ABREVIATURA SIGNIFICADO RENFE Red Nacional de los Ferrocarriles Españoles SCNF “Société Nationale des Chemins de Fer Français” Sociedad Nacional de los Ferrocarriles Franceses UIC Unión internacional de Ferrocarriles SFT Temperatura Neutra del carril RSM Monitores de tensiones en carril TDR Tasa de decaimiento de vibraciones RMSE Raíz del Error Cuadrático Medio “Root Mean Square” RSMS Sistema de monitoreo continuo CDC Centro de monitoreo centralizado CWR Carriles soldados continuamente GCM Modelos de circulación general RCP “Representive Concentration Pathways” BEDEC Base de Datos de Elementos Constructivos, usada en ingeniería y construcción. SGA Sistemas de Gestión Ambiental Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 16 El estudio efectuado no solo resalta la relevancia de tratar el problema de las variaciones térmicas en las líneas ferroviarias, sino que también resalta la importancia de implementar soluciones técnicas y económicas fundamentadas en la investigación y la innovación. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 17 2.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS: ANÁLISIS DEL SISTEMA FERROVIARIO Y SU INSTALACIÓN. ESTUDIO DE DEFECTOS. NORMATIVA APLICABLE 2.1.- SISTEMA FERROVIARIO Analizar la estabilidad de carriles ferroviarios y su montaje en entornos ferroviarios con alta diferencia térmica es muy importante para así poder asegurar la seguridad y el funcionamiento eficiente del sistema. Así pues, de esta manera, se pueden evitar deformaciones, expansiones y contracciones en los rieles. Los subsistemas que configuran el ferrocarril como modo de transporte son: - La infraestructura, compuesta por expropiaciones e indemnizaciones, trabajos preliminares, movimiento de tierras, obras de fábrica y seguridad (carreteras, vallas…). - La superestructura, formada por la vía y el balasto, el material rodante, las instalaciones de seguridad y telecomunicaciones. 2.1.1.- Infraestructura El ferrocarril, como forma de transporte, se compone de varios elementos que trabajan juntos para operar de manera eficiente. La infraestructura es uno de esos subsistemas, y se refiere a todo lo necesario para construir y operar el ferrocarril. Al construir una línea de ferrocarril, es factible que la ruta cruce terrenos privados o ya utilizados. El gobierno o la compañía constructora pueden necesitar estos terrenos para la construcción de carreteras. Las expropiaciones se refieren a la adquisición de esos terrenos, principalmente por razones de interés público. Las compensaciones económicas son los pagos que reciben los dueños por ceder sus terrenos. Las labores iniciales son las actividades iniciales que se llevan a cabo en la etapa de construcción de la vía férrea. Contienen análisis de la topografía, acondicionamiento del terreno, diseño de recorridos, eliminación de vegetación, y más. Estas labores garantizan que el suelo esté preparado para las etapas siguientes del proceso de construcción. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 18 En el término de infraestructuras también son necesarias las tareas de excavación, igualado, rellenado y compactación del suelo. Esto significa que se cambia la topografía original para encajar con las necesidades de la red ferroviaria. Por ejemplo, se cavan zanjas o se construyen montículos para mantener las vías niveladas y seguras. La seguridad es fundamental en todas las infraestructuras ferroviarias. Esto abarca la creación de vías seguras para cruzar, como carreteras o pasos a nivel, y la colocación de barreras para evitar el acceso no autorizado a las vías. Además de eso, se pueden agregar medidas adicionales de seguridad como la instalación de señalización y sistemas de control. 2.1.2.- Superestructura 2.1.2.1.- Vía: Carril Un elemento esencial del sistema ferroviario es el carril de un tren. Consiste en dos rieles de acero paralelos que se colocan sobre un grupo de traviesas. Estos rieles son fundamentales para dirigir y sostener la carga de los trenes mientras se mueven a lo largo de la vía. Aunque se han usado diferentes tipos de materiales para hacer estos carriles, el material más utilizado es el acero, debido a su alta resistencia, durabilidad y capacidad de aguante de cargas pesadas. Aun así, el acero para la construcción de los carriles suele ser tratado para que resista la corrosión y el desgaste. La estructura de los carriles se divide en tres: - La cabeza del riel, siendo esta la parte superior. Se utiliza para soportar y guiar las ruedas de los vagones. Debe ser lisa y sin deformaciones para garantizar un desplazamiento suave. - El alma del riel, es la parte vertical que conecta la cabeza del riel con la base. Proporciona estabilidad y rigidez. - La base del riel, que se encuentra en la parte inferior asentándose así sobre las traviesas, distribuyendo la carga y manteniendo el riel en su lugar. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 19 Ilustración 1: Estructura del carril. El carril es el elemento que mejor caracteriza y distingue al transporte ferroviario. Es un componente esencial de la superestructura ferroviaria y cualquier defecto sustancial en el mismo se puede traducir en un grave accidente o al menos en una dificultad importante para la circulación. Es imprescindible asegurar su calidad y su correcta conservación, lo que implica un análisis sistemático y continuo de sus defectos y desgastes. Adaptándose naturalmente a las nuevas exigencias del transporte ferroviario, el carril ha mantenido desde su origen sus funciones esenciales: - Transmisión de cargas al resto de la superestructura. - Guiado unidireccional de los trenes. - Principio del rozamiento metal-metal. Con la aplicación de la energía eléctrica al transporte, el carril cumple además la función de servir de conductor de la electricidad que alimenta la tracción y la señalización. Un carril se caracteriza por dos parámetros fundamentales: su perfil y su composición metalúrgica. Desde el punto de vista mecánico es fundamental la inercia vertical, por lo que, en la evolución del carril a lo largo del tiempo, y como consecuencia de las exigencias de mayores cargas y velocidades, se ha tratado por una parte de aumentar su masacaracterística que se mide por el peso en kg por metro lineal (ml) y su esbeltez. La evolución de los perfiles que se han ido utilizando a lo largo del tiempo, demuestra que Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 20 la inercia vertical se ha incrementado más rápidamente que el peso por mil., al contrario que la inercia transversal. Por otra parte, al ser mayor el peso del carril, se reduce el coste de su conservación y se disminuyen las deformaciones al paso de los trenes con la consiguiente economía en la tracción. La cabeza del carril La cabeza es la parte del carril que entra en contacto con las llantas del tren, con una zona de contacto de aproximadamente 1 cm². Su ancho debe ser adecuado para distribuir las cargas, mantener radios correctos con el alma y permitir un margen de desgaste en curvas cerradas. La experiencia indica que el ancho ideal está entre 65 y 72 mm, ya que anchos mayores desbalancean la distribución de masa y las cargas. La altura de la cabeza debe considerar el desgaste vertical, que es de aproximadamente 1 mm por cada 80 millones de toneladas (alrededor de 100,000 trenes). Una altura de 50 mm es ideal para equilibrar la masa entre la cabeza y el patín, y reducir deformaciones producidas por el enfriamiento durante su fabricación. En túneles, donde el desgaste por corrosión es mayor, se usan carriles reforzados y con revestimientos protectores, como recubrimientos bituminosos o metálicos, que limitan la corrosión. La forma de la parte superior de la cabeza influye en las tensiones dinámicas del contacto carril-rueda, alcanzándose rápidamente un equilibrio de desgaste con un radio de curvatura de 300 mm. Las caras laterales de la cabeza deben evitar el contacto con la pestaña de la rueda en tramos rectos, aunque en curvas cerradas sí se produce contacto. Para reducir la presión y desgaste lateral, las caras se inclinan con una pendiente de 1/20, lo que además favorece el ajuste de las bridas de unión. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 21 El patín del carril El patín del carril se define por su anchura y el espesor de sus alas. Su anchura influye en la rigidez horizontal y la resistencia al vuelco del carril, además de afectar las presiones transmitidas a las traviesas. Con el uso de placas de asiento, se pueden minimizar los problemas de un patín estrecho y mejorar la distribución de cargas a las traviesas. Se recomienda que la relación entre la altura del carril y la anchura del patín sea de 1.1 a 1.2, para facilitar su fabricación. El espesor y la forma de las alas deben equilibrar la sección del patín con la de la cabeza y ajustarse al proceso de laminación. Aunque es posible ahorrar material modificando la inclinación de la cara superior del patín, es preferible mantener una inclinación constante por motivos de fabricación. El alma del carril El alma del carril es clave para transmitir las cargas desde la cabeza hasta el patín, por lo que su espesor debe ser suficiente para resistir esfuerzos cortantes y las tensiones que se concentran cerca de los orificios de las bridas. Para minimizar estas tensiones, se limita el diámetro de los orificios (24 mm en RENFE y 23 mm en la SCNF). El espesor del alma, generalmente entre 15 y 17 mm, debe también considerar la corrosión, siendo mayor en carriles para túneles. Las uniones entre el alma, la cabeza y el patín son zonas críticas en líneas con grandes cargas, debido a la concentración de tensiones que pueden provocar fisuras, especialmente por cargas excéntricas en la cabeza. En Estados Unidos, se utilizan radios de hasta 19 mm para estas uniones, en contraste con los 7-8 mm de Europa, lo que requiere carriles más pesados. La inclinación de las caras inferiores de la cabeza, donde se apoyan las bridas, es fundamental para el mantenimiento de las juntas. Una inclinación de 1/2 reduce el desgaste de las bridas, pero aumenta las tensiones en los tornillos, mientras que una inclinación de 1/4 disminuye estas tensiones, pero aumenta el desgaste de las bridas. Los modelos UIC 54 y UIC 60 adoptan un valor intermedio de 1/2,75 como solución de compromiso. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 22 2.1.2.2.- Traviesas Los componentes transversales que sostienen y mantienen en su lugar los rieles del ferrocarril se conocen como traviesas de tren, también conocidas como durmientes en algunos países. Las funciones principales que tienen son las siguientes: - Distribuir de forma equitativa la carga del tren a lo largo de la vía, previniendo posibles hundimientos y deformaciones. - Aseguran que los rieles mantengan su estabilidad y alineamiento adecuado, previniendo movimientos laterales y descarrilamientos. - Disminuyen la vibración y el ruido al absorber parte de la energía producida por el tren al pasar. - Ayudan al mantenimiento de la vía, posibilitando así la llegada a los rieles y demás partes de la infraestructura ferroviaria. Traviesas de madera La madera es un material que se ha utilizado para la fabricación de traviesas desde los inicios del ferrocarril, puesto que presentan varias ventajas como excelentes características de flexibilidad y resistencia a la flexión, lo que proporciona a la vía condiciones favorables de elasticidad y reduce las cargas transmitidas a la plataforma. Además, poseen un alto coeficiente de aislamiento eléctrico, evitando la necesidad de dispositivos de aislamiento en las sujeciones. Su diseño permite realizar el cajeado de apoyo del carril y el clavado de las sujeciones en diversas posiciones, facilitando su uso en aparatos de vía con posiciones relativas variables de los carriles. También destacan por su buen comportamiento frente a descarrilamientos, ya que el impacto de una rueda puede astillarlas sin causar su rotura completa. Aunque, cabe destacar que también presentan varios inconvenientes que limitan su uso. Su vida útil es inferior a la de las traviesas de madera, con una duración media de 20 años para las especies utilizadas en España, frente a los 40 o 50 años que alcanzan las traviesas de hormigón. Además, su menor peso reduce la estabilidad de la vía, limitando su uso a velocidades inferiores a 200 km/h. La adaptación de sujeciones elásticas a las traviesas de madera, necesarias para la instalación del carril continúo soldado, resulta costosa en comparación con las de hormigón, ya que a menudo requieren sujeciones indirectas con Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 23 placas metálicas de alto costo. Asimismo, los radios mínimos para los que son aptas las traviesas de madera con sujeción elástica y carril soldado son excesivamente elevados, superando los 300 m según ensayos realizados por RENFE con diversas soluciones disponibles. Traviesas metálicas Las traviesas metálicas se construyen a partir de un perfil en U invertida con extremos embutidos que forman topes, los cuales se clavan en el balasto para mejorar la resistencia al desplazamiento lateral de la vía. El carril se fija mediante grapas apoyadas sobre el patín, que se ajustan con tuercas enroscadas en vástagos fijos a la traviesa. Esta disposición permite la adaptación a diferentes anchos de vía mediante la combinación de distintos modelos de sujeción, incluyendo opciones elásticas. Aunque son relativamente ligeras (80 kg) y fáciles de instalar, su bajo peso puede ser una desventaja en vías de alta velocidad o con tráfico pesado. Además, las traviesas metálicas son ruidosas y no proporcionan aislamiento eléctrico entre los dos hilos de la vía, a menos que se utilicen costosos dispositivos aislantes especiales. Traviesas de hormigón Las traviesas de hormigón, también conocidas como durmientes de hormigón, son componentes esenciales en la infraestructura ferroviaria. Introducidas durante la Primera Guerra Mundial y popularizadas a partir de los años 50, estas traviesas están compuestas por una mezcla de cemento, arena, grava y refuerzos de acero, lo que les confiere una gran resistencia y durabilidad. Son especialmente valoradas por su capacidad para soportar condiciones ambientales adversas, siendo resistentes a la intemperie, insectos y fuego, lo que les otorga una vida útil mayor que las traviesas de madera. Además, requieren menos mantenimiento, lo que reduce los costos operativos a largo plazo. Estas traviesas se utilizan principalmente en las vías férreas, donde ayudan a mantener los rieles a una distancia fija y a proporcionar estabilidad a la estructura de la vía, especialmente bajo cargas pesadas. Además de su uso ferroviario, también se emplean en proyectos de jardinería y paisajismo, donde sirven como elementos decorativos y funcionales, aportando robustez y durabilidad en diversas aplicaciones. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 24 2.1.2.3.- Sujeciones Las sujeciones, también conocidas como uniones o fijaciones, desempeñan funciones cruciales en la infraestructura ferroviaria. Su objetivo principal es mantener unidos el carril y la traviesa, asegurando la integridad de la vía. Deben absorber y transmitir eficazmente las cargas verticales y horizontales, prevenir el vuelco del carril y mantener constante el ancho de la vía. Para cumplir con sus funciones, las sujeciones deben tener una frecuencia de vibración mucho mayor que la del carril, evitando aflojamientos. Deben ofrecer alta resistencia al deslizamiento longitudinal del carril sobre la traviesa y poseer una curva elástica de respuesta horizontal para conservar el esfuerzo incluso con relajación en el apriete. Además, deben presentar una alta resistencia a la torsión, dificultando el giro entre el carril y la traviesa, ser resistentes a la intemperie y proporcionar aislamiento eléctrico adecuado. Desde un punto de vista económico, es importante que las fijaciones tengan pocas piezas, sean fáciles de montar y desmontar, y ofrezcan una larga duración, permitiendo su renovación simultánea con otros componentes de la superestructura, como carriles y traviesas. Los elementos de unión comprenden tanto las fijaciones propiamente dichas como las placas de asiento, que son esenciales para asegurar la estabilidad y funcionalidad de la vía ferroviaria. Según la forma de anclaje a la traviesa, las sujeciones se clasifican en tres tipos principales: 1. Sujeciones indirectas: En estas, el carril se apoya sobre una placa de asiento metálica, donde el elemento que proporciona el esfuerzo de apriete es diferente del que fija la placa a la traviesa. 2. Sujeciones mixtas: En este caso, una placa de asiento rígida se intercala entre el carril y la traviesa, y el mismo elemento de anclaje de la placa de apoyo es el que genera el esfuerzo de apriete. 3. Sujeciones directas: En este tipo, el mismo elemento que fija el anclaje a la traviesa también es el que genera el esfuerzo de apriete. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 25 Además, las sujeciones pueden clasificarse en elásticas o rígidas según cómo reaccione el elemento de apriete frente a los desplazamientos verticales del patín del carril. Si la reacción es elástica, se considera una sujeción elástica; si no, es una sujeción rígida. Solo las sujeciones elásticas son adecuadas para la instalación de carriles continuos soldados. Ilustración 2: Clasificación de las sujeciones en: Sujeción indirecta, mixta y directa. 2.2.- NORMATIVA VIGENTE El comportamiento de los rieles frente a los cambios de temperatura es un aspecto clave en la seguridad y durabilidad de las infraestructuras ferroviarias. Para garantizar la integridad de las vías, las normativas establecen una serie de requisitos técnicos que deben cumplir los componentes del sistema ferroviario, especialmente los rieles. Estos requisitos normativos aseguran que los materiales y el diseño del carril sean adecuados para resistir las tensiones y deformaciones que pueden producirse por variaciones térmicas. Una de las normativas clave que regula las especificaciones técnicas de interoperabilidad de subsistema «infraestructura» en el sistema ferroviario de la Unión Europea es el Reglamento (UE) No 1299/2014 de la comisión de 18 de noviembre de 2014, dónde en Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 32 𝛼:𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 (/º𝐶) 𝑇𝑁0:𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑜𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (º𝐶) 𝑇𝑁0:𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 (º𝐶) - Estabilidad de las vías en curvas y rectas El Rail Stress Monitor (RSM) es una tecnología que permite medir las tensiones longitudinales en los carriles en tiempo real. Este sistema utiliza sensores instalados en los carriles para monitorear las tensiones térmicas y calcular la SFT. Las curvas presentan más riesgo debido a las mayores tensiones laterales, y los resultados mostraron diferencias significativas en la temperatura libre de tensiones entre las vías internas y externas de una curva. 𝜀3=𝜎3 𝛼+𝛼(𝑇𝑟−𝑇𝑁) 𝑇𝑁0+𝜀3 𝛼=𝑇𝑁=𝜎3 𝐸𝛼+𝑇𝑟 𝜎3=𝐸𝛼(𝑇𝑁−𝑇𝑟) 𝜀3=𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑇𝑟=𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 (0º𝐶) 𝑇𝑁=𝑆𝐹𝑇 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 (0º𝐶) 𝑇𝑁0 =𝑆𝐹𝑇 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 (0º𝐶) 𝐸=𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 (207 𝐺𝑃𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑓𝑒𝑟𝑟𝑜𝑣𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜) 𝛼=𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 (11.7𝑥10−6/º𝐶) Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 33 Ilustración 5: SFT VS deslizamiento del carril en una sección de vía de 100 m para temperaturas del carril variables. Ilustración 6: Cambio en SFT con la temperatura del riel. Herramienta de gestión de estabilidad de vías El estudio propone una herramienta de gestión para la estabilidad de las vías, que combina parámetros clave como la resistencia lateral de la vía, las tensiones longitudinales y la temperatura de los carriles, para así poder evaluar si es necesario aplicar restricciones de velocidad o realizar ajustes preventivos en los carriles. Dicha herramienta también evalúa Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 34 el riesgo de pandeo en base a un índice de prioridad, lo que permite determinar cuándo es necesario realizar ajustes en la vía (como el ajuste de la temperatura neutra del carril o la mejora de la resistencia lateral de la vía). Conclusiones Efecto de la temperatura neutra de carril: El SFT en los carriles tiende a variar a lo largo del día. En el estudio se observa que a medida que aumenta la temperatura del carril, también lo hace el SFT, alcanzando incrementos de 2-3°C durante las horas de más calor. Esto implica una disminución del riesgo de pandeo a temperaturas elevadas, ya que el aumento del SFT mejora la resistencia a la compresión del carril frente a las expansiones térmicas. Diferencias en la estabilidad entre carriles rectos y curvos: Los carriles en secciones curvas experimentan un descenso en el SFT con el tiempo, lo que implica más existencia de pandeo debido a estas variaciones térmicas y la tensión interna. En cambio, los carriles que se encuentran en secciones rectas mantienen una estabilidad relativa del SFT. A lo que se concluye, que, los carriles en curvas requieren especial monitoreo y ajustes de estabilidad, especialmente en climas calurosos. Influencia de la orientación y la radiación solar: La exposición directa al sol, particularmente en orientaciones E-O y N-S, puede aumentar significativamente la temperatura de los carriles en comparación con la temperatura del aire. Este incremento acentúa la necesidad de implementar restricciones de velocidad y otras medidas preventivas para evitar el sobrecalentamiento y el pandeo, especialmente en días de alta radiación solar. Aplicación de herramientas de monitoreo y gestión de la estabilidad: Se presenta una herramienta de gestión de la estabilidad que, basada en el SFT, el esfuerzo térmico y la resistencia de la vía, evalúa la necesidad de un mantenimiento preventivo o implantar en algunos tramos restricciones de velocidad. El modelo permite ajustar la frecuencia de inspección y el establecimiento de umbrales de seguridad. Esta herramienta Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 35 es especialmente relevante para anticipar el pandeo en climas extremos y mejorar la seguridad operativa. Efecto del cambio diario en la temperatura de los carriles: Las variaciones de temperatura pueden modificar las propiedades mecánicas del carril, así pues, la gestión diaria del SFT resulta en una mejor predicción del comportamiento del carril, evitando fallos mecánicos 3.2.- “THE EFFECT OF TEMPERATURE ON RAILWAY ROLLING NOISE” El segundo estudio analizado fue el “The effect of temperature on railway rolling noise”, donde se estudia y se aborda como el ruido de rodadura, causado por la rugosidad en la superficie de las ruedas y los carriles, es uno de los principales mecanismos de generación de ruido en los trenes. También, un factor importante en este estudio es el efecto de la temperatura, donde se intenta cuantificar el impacto de la temperatura en el ruido generado por los trenes debido a la variación en la rigidez y amortiguación de las almohadillas. Así pues, el objetivo es investigar cómo la temperatura afecta la rigidez de las almohadillas de los carriles, el decaimiento de la vibración (TDR) y el ruido generado por el paso de trenes. Mediciones en entorno controlado de laboratorio Para hacer las mediciones se pusieron a prueba dos tipos de almohadillas, una de caucho natural con bajo nivel de rigidez y otra de caucho reforzado con corcho, siendo esta más rígida. De dichas almohadillas se estudiaron el módulo de corte y el factor de perdida en diferentes temperaturas (variando desde -20ºC hasta 40ºC) y frecuencias. Los resultados fueron muy claros, el caucho natural aumentó su rigidez hasta 6 veces cuando la temperatura descendió de 40°C a -20°C, mientras que su factor de pérdida pasó de 0.15 a 0.65, en cambió el caucho reforzado con corcho mostró un aumento de rigidez de un factor de 10, con una transición entre las fases elásticas y vítreas. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 36 Ilustración 7: (a) Magnitud del módulo de corte. (b) Factor de pérdida de materiales de caucho natural para carriles en un rango de frecuencias a diferentes temperaturas. Rangos de temperatura de -20 °C a 40 °C. Medición de las tasas de decaimiento de vibraciones (TDR) y predicción del ruido generado por los trenes Para el cálculo de las tasas de decaimiento, estas se midieron en una vía de prueba con temperaturas que iban desde -1°C a 30°C, y tanto en dirección vertical como horizontal. Los resultados fueron los siguientes: cuando la temperatura disminuía, las tasas de decaimiento verticales aumentaban, por lo que las vibraciones disminuían a la vez, reduciendo así la cantidad de ruido. Cabe destacar que dicha relación es más evidente en temperaturas por debajo de los 20ºC. 𝑇𝐷𝑅=4.343(𝐼𝑛(𝐴(𝑥0))−𝐼𝑛(𝐴(𝑥𝑛)) ∆𝑥𝑛) 𝐴(𝑥): 𝑀𝑜𝑣𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑥. ∆𝑥𝑛: 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑐𝑖ó𝑛. Se concluye, que, el aumento del TDR a bajas temperaturas implica que los carriles emiten menos ruido en climas fríos, debido a una mayor rigidez de las almohadillas. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 37 Ilustración 8: (a)TDR vertical medido para almohadillas de caucho natural a diferentes temperaturas y (b) TDR lateral también medido para almohadillas de caucho natural a diferentes temperaturas. Modelos analíticos de las propiedades dinámicas Se usó un modelo analítico basado en la teoría de las vigas de Timoshenko para simular las vibraciones de los carriles sobre una base elástica doble. Este modelo permitió predecir cómo variaría la rigidez de las almohadillas con la temperatura y cómo afectaría al ruido radiado. Se midió la rigidez dinámica (𝐾𝑑) de las almohadillas en función de la temperatura a partir de las funciones de transferencia entre la aceleración y la fuerza. 𝐾𝑑(𝜔)=2𝐹 𝜂𝑆𝑎𝜔2 𝐹:𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑎: 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 38 𝜂𝑆:𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠 𝜔:𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 La rigidez dinámica se convierte en el módulo de cizallamiento (G): 𝐺=(𝐾𝑑ℎ 𝐴) ℎ:𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝐴:Á𝑟𝑒𝑎 Ilustración 9: Ejemplos de cálculos analíticos de TDR para viga Timoshenko sobre cimentación elástica doble con (a) traviesas rígidas y (b) traviesas flexibles. Comparación de los resultados con diferentes materiales Como se ha mencionado inicialmente, el estudio compara dos tipos de almohadilla: caucho natural y caucho reforzado con corcho. La primera muestra un aumento considerable en la rigidez con la disminución de la temperatura, haciendo que se reduzca la vibración y el ruido. En cambio, el caucho reforzado con corcho tiene un comportamiento más rígido a bajas temperaturas, con mayor amortiguamiento en la región de transición entre los estados "vidrioso" y "gomoso". Ambos materiales mostraron que cuanto más rígidas son las almohadillas, menor es el ruido generado, debido a la mayor amortiguación de las vibraciones en los carriles. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 39 Ilustración 10: Rigidez de la plataforma del carril vertical y lateral a diversas temperaturas adoptadas en el modelo de predicción de ruido. Conclusiones Variaciones de propiedades de los materiales por temperatura: Las almohadillas de caucho natural utilizadas en las vías ferroviarias se vuelven significativamente más rígidas a bajas temperaturas, incrementando su módulo de corte en un factor de 6 al reducir la temperatura de 40 °C a -20 °C. En comparación, las almohadillas reforzadas con corcho muestran un aumento aún mayor en rigidez, con un incremento de más de 10 veces en el mismo rango de temperatura. Esto implica que las temperaturas extremas tienen un impacto crítico en el comportamiento dinámico de los materiales de soporte. Impacto en la tasa de decaimiento de vibraciones: La rigidez de las almohadillas influye directamente en la tasa de decaimiento de las vibraciones en las vías. A temperaturas más bajas, la tasa de decaimiento vertical aumenta, lo que potencialmente disminuye la propagación del ruido. Sin embargo, a temperaturas más altas, la menor rigidez permite una mayor transmisión de vibraciones, aumentando el ruido radiado. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 40 Efecto sobre el ruido rodante: El ruido generado por el paso de trenes muestra un incremento de 3-4 dB(A) en temperaturas entre 0 °C y 35 °C, tanto en mediciones de campo como en predicciones basadas en modelos. Esto es más evidente en rangos de frecuencia entre 500 Hz y 2 kHz, donde las vibraciones del carril son dominantes. En temperaturas más bajas, los componentes de ruido asociados al carril disminuyen debido al aumento de rigidez de las almohadillas. 3.3.- “MODELLING OF RAIL SURFACE TEMPERATURES” El tercer estudio, “Modelling of rail surface temperatures”, analiza como las variaciones de temperatura en los carriles son una causa importante de fallos en la red ferroviaria, llegando a producir el efecto del pandeo o la aparición de grietas de tensión en temperaturas muy bajas. Los carriles se encuentran previamente tensados para resistir dentro de un rango de temperatura denominado SFT, que fluctúa dependiendo del país. Cuando las temperaturas superan la SFT, se generan fuerzas que pueden provocar pandeo o fisuras en los carriles. En ambientes cálidos, la expansión térmica de los carriles puede causar pandeo, en cambio, en ambientes con temperaturas más frías, la contracción puede causar fracturas debido a la tensión. Estos inconvenientes de calor se intensifican debido a las condiciones de la vía como la condición del balasto, las traviesas y los anclajes. Ilustración 11: (a) Sitio de Winterbourne que muestra la ubicación de los termopares en la pista de prueba. (b) Estación meteorológica científica Campbell en Leominster con el sensor de temperatura del carril. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 41 Medición de las temperaturas en los ferrocarriles Para realizar este estudio se establecieron dos sitios de prueba, Winterbourne y Leominster. En el caso del primero, se escogió un tramo de vía de prueba donde se instalaron sensores térmicos en diferentes partes del carril (cabeza, alma y base). En el segundo caso, en Leominster, es instaló una estación meteorológica completa cerca de una vía activa, donde se midieron las temperaturas de la base de los carriles (debido a limitaciones de seguridad en una vía en uso). Los resultados de dicho estudio fueron una alta variación en la temperatura entre las diferentes secciones del carril, puesto que la cabeza del carril tiene a calentarse más que la base, debido a la radiación directa. Ilustración 12: (a) Esquema del modelo de ferrocarril simplificado. (b) Esquema de la sección transversal del perfil del carril indicando la terminología. Modelado físico de la temperatura de los carriles Se adaptó un modelo de balance energético previamente utilizado para carreteras, que incluye la radiación, convección y conducción de calor. Este modelo predice la temperatura de las superficies del carril (cabeza (H), alma expuesta (Wsun) y alma en sombra (Wshade)) considerando también el flujo de calor dentro del carril. Cabeza del carril (H): 𝑅𝑁𝐻−𝐻𝐻−𝐿𝐸𝐻−𝑄𝑆𝐻 =0 Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 48 Innovaciones tecnológicas Descripción del sistema: El RSMS está diseñado para monitorear en tiempo real las condiciones térmicas y mecánicas de los carriles mediante sensores avanzados de deformación y temperatura. Estos sensores miden tensiones en un rango de -800 a +800 microdeformaciones (𝜇𝜀) con una precisión de 1𝜇𝜀 y temperaturas entre −30º𝐶 𝑦+ 85º𝐶, con una precisión de 0.1º𝐶. Los datos recolectados se transmiten a un Centro de Monitoreo Centralizado (CDC) a través de transmisores inalámbricos o fibra óptica. Además, el sistema incluye un análisis automatizado que procesa las mediciones y genera alertas cuando se superan umbrales críticos, como 𝑇𝑁+25º𝐶 (advertencia) o 𝑇𝑁+30º𝐶 (acción inmediata). Funcionamiento: El RSMS opera recopilando datos cada 30 minutos y ajustando las lecturas en función de las condiciones locales, como la presencia de curvas, pendientes y restricciones físicas de la vía. Ante valores singulares, como deformaciones excesivas o temperaturas extremas, el sistema emite advertencias que permiten actuar de manera preventiva, evitando fallas estructurales graves y reduciendo el riesgo de accidentes ferroviarios. Resultados principales y conclusiones Validación del sistema: El sistema RSMS fue sometido a pruebas durante un periodo de 14 meses en una sección ferroviaria de 2 km, equipada con 12 dispositivos instalados a intervalos de 0.5 km. Los resultados demostraron que el coeficiente de expansión térmica equivalente (𝛼𝐶𝑊𝑅) es entre un 10-20% menor que el coeficiente estándar (𝛼), reflejando las restricciones físicas impuestas por el balasto, las traviesas y las condiciones del terreno, como curvas o pendientes. Además, las mediciones realizadas por el sistema fueron altamente confiables y precisas, incluso bajo condiciones climáticas extremas, consolidando su utilidad como herramienta de monitoreo continuo. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 49 Impacto de los cambios térmicos en los carriles: Las variaciones de temperatura son una de las principales causas de fallos estructurales en CWR. Estas generan tensiones longitudinales que pueden derivar en fenómenos como pandeo térmico en condiciones de calor extremo o fracturas en climas fríos. Estos efectos se amplifican en tramos con restricciones físicas, limitando la expansión térmica libre del carril. Este comportamiento resalta la necesidad de sistemas de monitoreo precisos para anticipar y mitigar riesgos. Eficiencia del sistema RSMS: El RSMS permite monitorear en tiempo real la relación entre temperatura, tensiones mecánicas y la temperatura neutra de los carriles. Este sistema elimina la necesidad de inspecciones manuales, reduce significativamente el riesgo de errores humanos y mejora la precisión en la detección de tensiones críticas. Gracias a su funcionamiento remoto y continuo, asegura una vigilancia constante, incluso en condiciones climáticas extremas, identificando peligros antes de que se conviertan en fallos graves. Contribución al mantenimiento predictivo y seguridad mejorada: La implementación del RSMS facilita un enfoque predictivo en el mantenimiento ferroviario. Los datos recolectados permiten anticipar fallos estructurales, como el pandeo y la fractura de carriles, lo que ayuda a planificar intervenciones de mantenimiento de manera más eficiente. Esto no solo mejora la seguridad operativa, sino que también optimiza los costos y recursos al evitar reparaciones inesperadas y fallos catastróficos. Se estima que esta tecnología podría disminuir hasta en un 74% los descarrilamientos causados por problemas relacionados con tensiones térmicas, mejorando así también la seguridad operativa del ferrocarril. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 50 3.5.- “FUTURE PROJECTIONS OF TEMPERATURE-RELATED CLIMATE CHANGE IMPACTS ON THE RAILWAY NETWORK OF GREAT BRITAIN” Introducción El estudio analizado “Future projections of temperature-related climate change impacts on the railway network of Great Britain”, en español: Proyecciones futuras de los impactos del cambio climático relacionado con la temperatura en la red ferroviaria de Gran Bretaña, examina como el cambio climático afecta a las infarestructuras ferroviarias de Gran Bretaña. Este estudio se llevó a cabo mediante talleres con expertos de la industria ferroviaria, con el objetivo principal de analizar tres problemas críticos relacionados con el impacto térmico en las infraestructuras ferroviarias: - La deformación de vías debido al calor (track buckling). - El riesgo de fallos en las líneas eléctricas por expansión térmica - La exposición de los trabajadores al estrés térmico. Estos 3 problemas se evaluaron considerando umbrales de temperatura específicos y sus proyecciones climáticas hacia la década de 2040. Metodología El estudio utiliza el modelo climático regional HadRM3 del Met Office, que permite proyectar cambios en variables climáticas (temperatura y precipitaciones) a una resolución espacial que captura detalles específicos de Gran Bretaña. Para la realización del análisis se utiliza el método de Bootstrap, que ayuda a la significancia estadística de los cambios proyectados. Esto ayuda a entender el impacto potencial del cambio climático frente a la variabilidad natural. Resultados principales Deformación de vías por altas temperaturas: Las temperaturas extremas, especialmente en verano, pueden generar la expansión y posterior deformación de los carriles ferroviarios, un fenómeno conocido como track buckling. Este problema ocurre cuando las temperaturas superan ciertos umbrales críticos Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 51 denominados CRT (Critical Rail Temperature), lo que puede comprometer gravemente la seguridad de las infraestructuras y requerir intervenciones preventivas. Estudios recientes de temperatura han demostrado que en 15 años se proyecta un aumento considerable en la frecuencia de días que exceden estos umbrales, particularmente en el sureste de Inglaterra. Además, regiones del norte y oeste de Gran Bretaña muestran incrementos estadísticamente significativos, lo que sugiere que este riesgo podría extenderse geográficamente más allá de las áreas tradicionalmente afectadas. Limitaciones para el mantenimiento de vías: El aumento de las temperaturas también conlleva a problemas para las actividades de mantenimiento ferroviario, ya que el calor excesivo puede comprometer la estabilidad del balasto que sostiene las vías. Esta situación no solo afecta la seguridad de las operaciones, sino que también reduce los días para realizar tareas de mantenimiento de forma segura. Riesgo de expansión de líneas eléctricas (Overhead Line Sag): Otra consecuencia crítica derivada de temperaturas altas es la expansión térmica de líneas eléctricas. Este colapso de los cables conduce a una experiencia deficiente entre el tren y la red, lo que da como resultado interrupciones y complicaciones de servicios ferroviarios. Las líneas maestras de tensión fija están propensas a padecer esta problemática, ya que tienen una menor tolerancia a temperaturas cambiantes. Se pronostica un aumento en el riesgo de sag en las regiones sur y este de Inglaterra en el sur de Inglaterra, donde se demuestra la necesidad de mitigar esre impacto. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 52 Ilustración 16: Porcentaje modelado de días de mayo a septiembre por período de 30 años por cuadrícula de 25 km con temperatura máxima diaria superior a 31 ◦C. Riesgos en trenes de carga durante el invierno: En cambio, las temperaturas extremadamente bajas presentan también problemas, especialmente para los trenes de carga. Durante el invierno, las condiciones climáticas adversas pueden afectar el rendimiento de los sistemas de frenos, incrementando la probabilidad de fallos operativos. Sin embargo, las proyecciones climáticas sugieren que la frecuencia de días con temperaturas extremadamente bajas podría disminuir hacia 2040. Esto significaría una reducción en la incidencia de estos fallos. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 53 Ilustración 17: Porcentaje modelado de días de noviembre a marzo por período de 30 años por cuadrícula de 25 km con temperatura mínima por debajo de 0 ◦C. Conclusiones Aumento de temperaturas y riesgo de Pandeo (Buckling): Durante el verano, las altas temperaturas incrementan notablemente el riesgo de pandeo en los carriles ferroviarios. En regiones como el sur y el este de Inglaterra, se prevé que para la década de 2040 los días con temperaturas que superen los niveles críticos se tripliquen, mientras que en el norte y el oeste se esperan los mayores aumentos porcentuales relativos. Además, la capacidad de los carriles para resistir el calor depende del estado de la vía: aquellas bien mantenidas y en óptimas condiciones soportan temperaturas más elevadas, mientras que las vías con balasto no compacto o en mal estado son mucho más vulnerables al pandeo. Fracturas por contracción en climas fríos: Durante el invierno, el número de días con temperaturas inferiores a 0 °C tiende a disminuir, especialmente en áreas como Escocia y las zonas costeras. Esta reducción significa que el riesgo de fracturas en los carriles debido a la contracción térmica se reduce Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 54 en regiones con climas más cálidos. Sin embargo, en áreas que permanecen más frías, los carriles seguirán enfrentando este problema, ya que las bajas temperaturas extremas continúan siendo un factor de estrés que puede comprometer su integridad estructural. 3.6.- “IMPACTS OF CLIMATE CHANGE ON OPERATION OF THE US RAIL NETWORK” Introducción El estudio “Impacts of climate change on operation of the us rail network” expone cómo los estudios de temperatura ya existentes muestran aumentos significativos en la frecuencia de eventos de calor extremo, pueden comprometer la infraestructura ferroviaria de EE. UU., especialmente los carriles, que podrían expandirse a temperaturas superiores al SFT. Las altas temperaturas pueden causar "sun kinks" (deformaciones por expansión) que, si no se detectan, pueden resultar en descarrilamientos. Algunas de las soluciones que se llevan a cabo hoy en día es reducir la velocidad de los trenes o detener el tráfico en días de calor extremo para reducir el estrés en las vías. Metodología Los modelos climáticos que se utilizan en el estudio son: - Cinco Modelos de Circulación General (GCMs) - Dos escenarios de emisiones (RCP 4.5 y RCP 8.5). Además, se hace un análisis de vulnerabilidad para calcular los costos adicionales en minutos de retraso derivados del cambio climático. Este análisis se hace a través del sistema de soporte de planificación de infraestructura (IPSS), y compara el sistema ferroviario bajo condiciones actuales frente a los impactos proyectados a lo largo del siglo XXI. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 55 Resultados principales Impacto en retrasos debido a deformaciones en vías: Con temperaturas proyectadas que exceden la temperatura neutral de diseño, se espera un incremento en deformaciones. Las simulaciones muestran un aumento de entre $25 y $60 mil millones en costos acumulados de retrasos bajo escenarios de alta emisión (RCP 8.5). Ilustración 18: Costo anual promedio de los impactos del cambio climático en el sistema ferroviario por décadas, basado en minutos de retraso. Distribución regional de vulnerabilidades: Las regiones del noreste, medio oeste superior y sur de EE. UU. enfrentarán los mayores impactos debido a sus temperaturas neutras de diseño más bajas, haciéndolas más sensibles al aumento de temperatura. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 56 Ilustración 19: Costo anual promedio para las décadas del 2050-2090, por región geográfica. Adaptación mediante sensores de temperatura: La implementación de sensores de temperatura en los carriles, junto con ajustes en los límites de velocidad basados en el riesgo de deformación, puede reducir los costos de retrasos significativamente. Implicaciones para la adaptación Estrategia Proactiva vs. Reactiva: Los costos de retraso pueden reducirse a largo plazo mediante un enfoque proactivo basado en sensores. La estrategia reactiva, que es el método actual de reducción de velocidad generalizada en climas extremos, muestra una mayor acumulación de costos en comparación con el uso de sensores que permite restricciones de velocidad más específicas. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 57 Ilustración 20: Costo anual promedio de los impactos del cambio climático en el sistema ferroviario por décadas, basado en minutos de retraso para el enfoque de adaptación. Conclusiones Impactos de altas temperaturas en los carriles: Las altas temperaturas pueden provocar la expansión térmica del acero, lo que genera fenómenos como el "sun kink", una deformación en los carriles causada por la compresión al superar su temperatura neutral de diseño. Este problema, que puede llegar a ser un riesgo serio de descarrilamiento, se agrava con el aumento en la frecuencia e intensidad de olas de calor extremo. En regiones donde las temperaturas promedio ya son más elevadas y los carriles tienen menor capacidad para disipar el calor, el impacto de este fenómeno será aún mayor. Riesgo asociado a la temperatura neutral de diseño: Los carriles están diseñados para funcionar sin tensiones internas a una temperatura específica llamada temperatura neutral de diseño (SFT), pero con el tiempo, esta puede degradarse por el movimiento y el asentamiento de los carriles. Según el estudio, las regiones con temperaturas iniciales más bajas son particularmente vulnerables a los Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 64 DEFECTOS EFECTOS FACTORES AUMENTO DE TEMPERATURA Carril Dilatación -Expansión térmica que supera la temperatura neutra de diseño, provocando "sun kink" o deformaciones laterales peligrosas. -Diferencias térmicas en el perfil del carril (cabeza más caliente que el alma y el patín), generando tensiones diferenciales y pandeo. -Pandeo térmico causado por altas temperaturas, especialmente en condiciones de alta radiación solar y balasto no compacto. -Expansión térmica restringida en carriles soldados continuamente (CWR), generando tensiones longitudinales y movimientos laterales peligrosos. Anclaje Fatiga y debilitamiento -Ciclos térmicos repetidos que desestabilizan la temperatura neutra y reducen la resistencia al pandeo. Infraestructura Reducción de resistencia lateral -Reducción de la resistencia lateral del balasto en altas temperaturas, incrementando el riesgo de inestabilidad del carril. Tabla 2: Efectos del aumento de temperatura sobre los carriles, los anclajes y las infraestructuras. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 65 Las deformaciones en los carriles ferroviarios representan un problema significativo, el cual está vinculado a una serie de factores complejos, siendo el pandeo térmico uno de los más destacados. Este fenómeno ocurre cuando las variaciones extremas de temperatura inducen que los carriles superen su temperatura neutra de diseño (SFT), generando, en consecuencia, fuerzas de compresión que provocan su deformación. A pesar de que una posible solución podría ser el aumento del valor de la SFT, lo que incrementaría la resistencia de los carriles ante las expansiones térmicas y, por ende, reduciría el riesgo de pandeo, este valor tiende a disminuir progresivamente con el tiempo. Este fenómeno se ve intensificado especialmente en las curvas, donde el riesgo de ocurrencia de un Sun Kink —una falla crítica en la que el carril se dobla y pierde su forma, generando condiciones propensas a un descarrilamiento— es considerablemente mayor. Además, el perfil irregular de los carriles, donde distintas partes de este, como la cabeza, el alma y el patín, se calientan a diferentes velocidades, provoca la generación de tensiones internas que incrementan significativamente las posibilidades de que se produzcan deformaciones estructurales. Dichas tensiones internas son más pronunciadas en condiciones extremas, lo que pone en evidencia la necesidad de un diseño y mantenimiento adecuados para mitigar estos riesgos. Por otro lado, las bajas temperaturas también generan una serie de efectos adversos. En condiciones de frío extremo, el metal de los carriles se contrae, lo que genera tensiones de tracción que pueden aumentar considerablemente el riesgo de fisuras o fracturas en los carriles. De igual forma, las almohadillas de caucho natural que amortiguan el contacto entre el carril y la vía pierden flexibilidad a medida que la temperatura disminuye, volviéndose más rígidas. Esta pérdida de flexibilidad reduce la capacidad de las almohadillas para absorber adecuadamente las fuerzas de compresión y las fuerzas y vibraciones debido al impacto dinámico del transporte ferroviario, exacerbando la vulnerabilidad de las vías ferroviarias. Este fenómeno se ve amplificado en tramos de vía con curvas, pendientes pronunciadas o balasto inestable, donde las tensiones longitudinales pueden facilitar el pandeo térmico, incluso en climas fríos. Un desafío adicional es el fenómeno del arrastre, particularmente en las vías con carriles soldados continuamente (CWR), que carecen de juntas de expansión a distancias Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 66 prefijadas, siendo limitado por diseño y ubicación de elementos como aparatos de vía, apartaderos o similares y, por lo tanto, limitan la capacidad de dilatación natural del metal. Durante los períodos de calor extremo, estas restricciones pueden generar tensiones compresivas considerables, favoreciendo los desplazamientos laterales de los carriles y causando deformaciones peligrosas. En contraposición, las bajas temperaturas provocan la contracción del metal, lo que puede originar grietas por tensión. Esta situación se ve agravada cuando el hielo se acumula en las vías, lo que reduce la adherencia de los trenes y, por ende, afecta la capacidad de frenado y la seguridad general del sistema ferroviario. Además, problemas adicionales como la erosión o los defectos en los anclajes agravan estas condiciones, elevando aún más el riesgo de fallas estructurales. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 67 4.- METODOLOGÍAS DE ACTUACIÓN En este capítulo se abordará y clasificaran los diferentes defectos observados en los carriles, así como las diferentes metodologías de actuación en función de los carriles, anclajes e infraestructuras. Los sistemas ferroviarios, a causa de los cambios extremos de temperatura, desafían algunos problemas, mencionados anteriormente, los cuales pueden comprometer la seguridad, la durabilidad y la funcionalidad de los carriles y su infraestructura asociada. Tal como se resume en la tabla anterior, los principales problemas asociados a las variaciones térmicas incluyen: 1. Aumento de temperatura: o Dilatación del carril que provoca deformaciones laterales peligrosas y tensiones longitudinales críticas, incrementando el riesgo de pandeo. o Fatiga y debilitamiento de los anclajes, resultado de ciclos térmicos que desestabilizan la temperatura neutra. o Reducción de la resistencia lateral en el balasto, lo cual compromete la estabilidad estructural. 2. Disminución de temperatura: o Contracción del carril, que genera tensiones de tracción y fracturas, especialmente en climas fríos. o Rigidez extrema en los sistemas de anclaje, causada por la baja temperatura que afecta los materiales de soporte. o Acumulación de hielo, que impacta la adherencia del sistema ferroviario y aumenta el riesgo de desplazamiento. Con base en estos desafíos, se han desarrollado diversas soluciones orientadas a mitigar los efectos adversos de los cambios térmicos, garantizando la operatividad y seguridad de los sistemas ferroviarios Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 68 Ilustración 24: (a) Esquema de expansión térmica del carril fijado em ambos extremos. (b) Garrote debido a la expansión térmica. Ilustración 25: Distribución de temperaturas en el carril durante el ciclo de radiación solar. Ajustar y modificar los sistemas y las infraestructuras existentes para para poder adaptarlos a los efectos del cambio climático es la herramienta más efectiva para reducir la vulnerabilidad de la infraestructura ferroviaria, por lo que se debe asegurar una selección correcta de las medidas. Para abordar estos problemas, es fundamental implementar soluciones innovadoras que combinan materiales avanzados, tecnología de monitoreo y estrategias de diseño adaptativas. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 69 4.1.- SOLUCIONES PARA EL EFECTO DE LA DILATACIÓN DEL CARRIL Como se ha especificado anteriormente, la dilatación del carril se produce cuando existe un aumento de la temperatura, y puede llegar a provocar deformaciones laterales, tensiones longitudinales y pandeo térmico. Almohadillas de carril adaptadas al clima: En climas cálidos, las almohadillas de caucho reforzado combinan propiedades de elasticidad, resistencia al desgaste y capacidad de absorción de energía, y proporcionan flexibilidad adicional, minimizando el ruido y adaptándose mejor a la expansión térmica. Las almohadillas de caucho reforzado permiten cierto grado de movimiento entre el riel y las traviesas, evitando tensiones que podrían causar deformaciones o pandeos. Vías con losas de hormigón: Estas estructuras son especialmente útiles en climas extremos, ya que ofrecen mayor estabilidad y resistencia frente a cambios térmicos. Recubrimientos térmicos para los carriles: Aplicar pinturas o recubrimientos térmicos reflectantes blancos sobre los rieles reduce la absorción de calor hasta 10º. Estos recubrimientos reflejan la radiación solar, disminuyendo la absorción de calor y, por ende, reduciendo la expansión térmica del carril. Esta medida ayuda a mantener una SFT más constante, limitando la expansión térmica y mejorando la estabilidad. Ilustración 26: Proceso del recubrimiento térmico de un riel. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 70 Restricciones de velocidad en climas extremos: En eventos de calor extremo, reducir la velocidad del tren disminuye las fuerzas de compresión ejercidas sobre los rieles, reduciendo el riesgo de deformaciones críticas. A velocidades más bajas, se reducen las cargas dinámicas transmitidas al balasto y la infraestructura de soporte, lo que ayuda a mantener la estabilidad general de la vía. 4.2.- SOLUCIONES PARA LA FATIGA Y EL DEBILITAMIENTO DEL ANCLAJE La fatiga y el debilitamiento del anclaje sucede también, cuando existe un aumento de temperatura constante, desestabilizando así la temperatura neutra. Almohadillas de carril adaptadas al clima: En climas cálido, como se ha comentado anteriormente, las almohadillas de caucho reforzado combinan propiedades de elasticidad, resistencia al desgaste y capacidad de absorción de energía, y proporcionan flexibilidad adicional, minimizando el ruido y adaptándose mejor a la expansión térmica. Monitoreo en tiempo real: Sensores IoT integrados en los rieles detectan tensiones térmicas en tiempo real, emitiendo alertas tempranas sobre posibles deformaciones o pandeos. Los sensores están diseñados para medir las variaciones en la temperatura de los rieles y las tensiones que estas generan, como deformaciones, pandeos o cambios en la SFT. Cuando los valores detectados superan niveles críticos, los sensores envían alertas automáticas a los equipos de monitoreo, permitiendo actuar antes de que se produzcan fallos graves en la infraestructura. Capas aislantes y geotextiles: Las capas aislantes térmicas, como espumas de poliestireno, reducen la transferencia de calor desde el suelo hacia las estructuras ferroviarias, minimizando los efectos de la dilatación térmica en los rieles y el balasto. En temperaturas elevadas, el balasto puede perder cohesión debido a la deshidratación. Los geotextiles son tejidos sintéticos diseñados para mejorar las propiedades del suelo en Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 71 las capas de soporte y mantienen las partículas en su lugar, asegurando una distribución uniforme de las cargas y evitando desplazamientos. 4.3.- SOLUCIONES PARA LA REDUCCIÓN DE LA RESISTENCIA LATERAL Geotextiles bajo las vías: Los geotextiles, como se ha mencionado anteriormente, están diseñados para mejorar las propiedades del suelo en las capas de soporte. Colocados bajo el balasto o subbalasto, estos materiales: - Actúan como barreras que limitan la migración de partículas finas, manteniendo la calidad del drenaje. - Proveen una capa aislante, reduciendo los efectos del congelamiento y deshielo en climas fríos. - Distribuyen las cargas de manera uniforme, mitigando asentamientos y deformaciones. Terraplenes elevados: En regiones vulnerables a climas extremos, la construcción de terraplenes más altos protege las vías de inundaciones y mejora la estabilidad del sistema ferroviario. 4.4.- SOLUCIONES PARA LA CONTRACCIÓN Materiales avanzados: El desarrollo de aleaciones avanzadas para rieles ferroviarios busca mejorar su resistencia a las variaciones térmicas, reduciendo la expansión y contracción debida a los cambios de temperatura. Estas aleaciones, con baja expansión térmica y alta resistencia a la fatiga, aumentan la durabilidad de los rieles. Además, los recubrimientos resistentes a la corrosión y el uso de superaleaciones pueden prolongar la vida útil de los componentes ferroviarios. Esto mejora la seguridad, eficiencia operativa y reduce los costos de mantenimiento. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 72 Monitoreo en tiempo real: Igual que para mitigar la fatiga y el debilitamiento del anclaje se instalan sensores loT, para el caso de la disminución de la contracción también sirve instalar de estaciones meteorológicas a lo largo de la red ferroviaria permite registrar las variaciones de temperatura de manera continua. Los sensores IoT integrados en los rieles consiguen medir la temperatura, la tensión y otros parámetros críticos térmicos en tiempo real, emitiendo alertas tempranas sobre posibles deformaciones o pandeos. Algunas de las tecnologías de sensorización incluyen: - Sensores de temperatura: Miden la temperatura del carril y envían alertas cuando se alcanzan niveles críticos. - Medidores de tensión: Detectan cambios en la tensión del carril, ayudando a identificar posibles riesgos de pandeo o fractura. - Sistemas de monitoreo remoto: Permiten la supervisión continua de la SFT desde un centro de control, facilitando la gestión proactiva del mantenimiento ferroviario. Ilustración 27: Sistema de monitorización de temperatura de carril de LIMMAt. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 73 4.5.- SOLUCIONES PARA LA RIGIDEZ EXTREMA DEL ANCLAJE Almohadillas de carril adaptadas al clima: Al igual que en climas cálidos se usan almohadillas de carril reforzadas con caucho para mitigar algunos de los efectos del cambio climático, en climas fríos, las almohadillas de carril reforzadas con corcho se utilizan para aumentar la rigidez y reducir las vibraciones. Este material mejora la estabilidad de los rieles, ya que el corcho ofrece una excelente capacidad de aislamiento térmico y absorción de impactos. Estas almohadillas ayudan a mantener la integridad estructural de los rieles frente a las bajas temperaturas, mejorando la seguridad y el rendimiento del sistema ferroviario. Capas aislantes y geotextiles: En climas fríos, los geotextiles combinados con materiales aislantes como la espuma de poliestireno son esenciales para proteger la infraestructura ferroviaria. Estas capas crean una barrera térmica que reduce los efectos del descongelamiento y congelamiento, evitando daños en los rieles y en la base del ferrocarril. El aislamiento ayuda a mantener la estabilidad del terreno y mejora la durabilidad de las estructuras, asegurando un funcionamiento más seguro y eficiente del sistema ferroviario. 4.6.- SOLUCIONES PARA LA ACUMULACIÓN DE HIELO Drenaje eficiente: La instalación de sistemas de drenaje adecuados evita la acumulación de agua en el balasto. Esto es crucial para prevenir problemas de congelación y deshielo, que pueden desestabilizar la vía. Geomallas combinadas con geotextiles aseguran un drenaje constante y evitan que partículas finas obstruyan las capas de soporte. Capas aislantes y geotextiles: Como se ha explicado anteriormente, en climas fríos, los geotextiles y materiales aislantes como la espuma de poliestireno son fundamentales. Juntos, forman una barrera térmica que reduce los efectos del descongelamiento y congelamiento en los rieles, protegiendo Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 80 En los gráficos proporcionados, se muestra un mapa de calor de las temperaturas mínimas de Vallfogona de Balaguer a lo largo de los años (2013-2023), seguido por un gráfico de líneas, donde también se indican las temperaturas mínimas organizadas por meses y años. Las temperaturas mínimas, como es de esperar, se encuentran en los meses de invierno, bajando de los 0 grados. En cambio, las temperaturas más altas se encuentran en los meses de junio, julio y agosto, oscilando con valores entre 15ºC y 19ºC. Las temperaturas mínimas en Vallfogona de Balaguer siguen un patrón predecible según las estaciones, aunque en los últimos años, algunos inviernos parecen haber sido menos fríos, reflejando posiblemente un impacto del cambio climático. En cambio, los veranos se mantienen relativamente estables en cuanto a las mínimas, sin evidencia de calentamiento extremo en estos datos. Igual que en el caso de las temperaturas máximas, en las temperaturas mínimas también existe esta diferencia térmica en los meses de julio y enero, en los mismos años mencionados anteriormente, existiendo una diferencia de 22ºC en el año 2022. A diferencia del impacto de las temperaturas altas sobre el carril, las temperaturas bajas tienen una afectación menor, disminuyendo la temperatura del carril únicamente entre 2 °C y 3 °C. Temperaturas medias Gráfico 5: Gráfico lineal de las temperaturas mensuales organizado por años (2013-2023). Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 81 Gráfico 6: Gráfico lineal de la temperatura media de 2013 al 2023 en Vallfogona de Balaguer. En los dos gráficos anteriores se encuentran las temperaturas medias por años y por meses, y en el segundo la temperatura media de todos los años organizada por meses. Como era de esperar, la curva tiende a las temperaturas máximas y mínimas vistas anteriormente. Entre los meses de primavera y verano, las temperaturas medias alcanzan un máximo anual, con picos de 25-27 °C durante los meses de julio y agosto, reflejando el calor más intenso del año. Sin embargo, de noviembre a febrero, las temperaturas medias caen de manera pronunciada, con valores mínimos en enero (alrededor de 5 °C). En general, no se observan aumentos drásticos en las temperaturas medias de verano entre 2013 y 2023, pero sí una mayor variabilidad interanual en los meses invernales, que puede indicar inviernos más cálidos en años recientes. Años como 2022 muestran temperaturas medias más altas durante varios meses, lo que podría estar relacionado con un aumento de las temperaturas medias generales. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 82 Es cierto que, algunos años muestran valores fuera de lo común, como inviernos más cálidos o veranos más frescos, reflejando eventos climáticos extremos que pueden ser una consecuencia directa del cambio climático. 5.2.- PROPUESTAS PARA MITIGAR LOS EFECTOS DEL CAMBIO CLIMÁTICO EN EL TRAMO DE LA RL2 (LLEIDA PIRINEUS – LA POBLA DE SEGUR) Los cambios de temperatura registrados en la localidad de Vallfogona de Balaguer, como se ha mostrado anteriormente, muestran 35ºC de máxima y mínimas que descienden por debajo de los 0ºC. estas variaciones térmicas generan dilataciones y contracciones en los carriles, afectando tanto en la estabilidad del balasto como en la capacidad estructural de la vía. Para mitigar estos impactos y garantizar la seguridad y eficiencia de la infraestructura ferroviaria, se plantean las siguientes soluciones: 1. Almohadillas reforzadas con caucho 2. Geotextiles bajo el balasto 3. Recubrimientos térmicos 4. Monitorización Para cada una de las soluciones propuestas, se llevará a cabo un análisis exhaustivo de los costos asociados. Este análisis se basa en la obtención de precios actualizados, los cuales han sido extraídos de la base de datos BEDEC. Posteriormente, con la ayuda del software especializado para la generación de presupuestos TCQ, se ha procedido a elaborar un presupuesto detallado para cada solución planteada. Este proceso permite garantizar una estimación económica precisa y adaptada a las características específicas de cada propuesta. En el anexo se encontrará el documento extraído de TCQ con los costes detallados de cada solución propuesta. 5.2.1.- Almohadillas reforzadas con caucho Después del análisis de las condiciones climáticas en Vallfogona de Balaguer, donde se ha visto que las temperaturas máximas alcanzan los 35 °C y las mínimas rondan los -2°C, Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 83 se concluye que dentro de la solución instalar almohadillas en los carriles, la solución más adecuada para el tipo de climatología presentada en los pueblos por donde pasa la línea RL2, son las almohadillas reforzadas con caucho natural. Estas almohadillas tienen la capacidad de adaptarse a las fluctuaciones térmicas, especialmente en épocas cálidas, cuando la temperatura superficial de los rieles puede llegar a los 55 °C debido a la absorción del calor solar. Este aumento de temperatura genera esfuerzos considerables en las vías por la expansión térmica del metal, y las almohadillas de caucho reforzado, gracias a su elasticidad, distribuyen eficientemente estas tensiones, minimizando el riesgo de deformaciones como el pandeo térmico. Las propiedades del caucho reforzado permiten absorber vibraciones y reducir el ruido generado por el paso de los trenes, mejorando tanto la experiencia de los pasajeros como el impacto ambiental. A pesar de que las almohadillas pueden volverse algo más rígidas a bajas temperaturas, este efecto no resulta problemático en la línea estudiada, ya que las mínimas no descienden por debajo de los -2 °C. Además, estas almohadillas poseen una alta resistencia al desgaste, al envejecimiento y a los rayos UV, lo que las hace especialmente duraderas en condiciones de tráfico ferroviario constante y exposición prolongada a la intemperie. Su uso no solo asegura un desempeño estable bajo temperaturas moderadas, sino que también prolonga la vida útil de los componentes de las vías. Ilustración 30: Proceso de recubrimiento con almohadillas reforzadas con caucho bajo el riel. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 84 Ilustración 31: Almohadilla reforzada con caucho bajo el riel. 5.2.1.1Análisis de coste Para la instalación de almohadillas reforzadas con caucho bajo los carriles ferroviarios se utilizan piezas de caucho pensadas para ofrecer un comportamiento elástico de alta calidad y una durabilidad prolongada en el tiempo. Para ello, se fabrican principalmente con caucho natural o reciclado, con idénticas características. Este es un material reconocido por sus propiedades elásticas superiores, y, además, se refuerza con agentes específicos que mejoran su resistencia a factores ambientales adversos, como cambios climáticos extremos, radiación ultravioleta y otras agresiones propias del entorno donde se instalan. El presupuesto se ha realizado para un tramo de 1000 ml de carril, donde se empleará maquinaria especializada, que incluye una pala excavadora bivial para levantar el carril y permitir la colocación de las almohadillas, y una clavadora para fijar nuevamente los carriles una vez instaladas las piezas. El equipo de trabajo necesario para llevar a cabo esta operación estará compuesto por cuatro personas: un encargado, responsable de coordinar y supervisar las actividades; una manobra, que realizará tareas de apoyo y preparación; y dos oficiales, encargados de las operaciones técnicas relacionadas con la instalación de las almohadillas. Este proyecto tiene como objetivo principal mejorar la calidad del entorno cercano a las vías ferroviarias mediante la reducción del ruido y las vibraciones. Al mismo tiempo, contribuye a proteger la infraestructura ferroviaria, prolongando su vida útil y asegurando Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 85 un funcionamiento eficiente. La solución propuesta representa un avance significativo en términos de sostenibilidad, calidad de vida y desempeño del sistema ferroviario. A.- Coste personal Unidades/jornada Horas totales Coste horario Coste total Encargado 1 30 21,92 €/h 657,6 € Oficial 1ª 2 64 20,71 €/h 1325,44 € Manobre 1 32 17,28 €/h 552,96 € Tabla 3: Coste del personal en la solución de la instalación de almohadilla reforzadas con caucho natural bajo el riel. BCoste material Unidades Coste unitario Coste total Almohadilla reforzada con caucho natural 3334 25,78 €/u 8585,5 € Tabla 4: Coste del material en la solución de la instalación de almohadilla reforzadas con caucho natural bajo el riel. CCoste maquinaria Unidades/jornada Horas totales Coste horario Coste total Motoclavadora despernadora tirafondos 1 32 15,20 €/h 486,4 € Pala excavadora giratoria bivial 12-20t 1 32 104,54 €/h 3345,28 € Tabla 5: Coste de la maquinaria en la solución de la instalación de almohadilla reforzadas con caucho natural bajo el riel. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 86 Tabla 6: Resumen del análisis de coste de la instalación de almohadillas reforzadas con caucho natural debajo del riel en 1000 ml de carril de la línea RL2 en la zona de Vallfogona de Balaguer. IMPORTE 95.959,66 € JUSTIFICACIÓN DE PRECIOS Código Unidades Precio Importe MANO DE OBRA A0112000 h Encargado 30 21,92 € 657,60 € A0121000 h Oficial 1a 64 20,71 € 1.325,44 € A0140000 h Manobre 32 17,28 € 552,96 € Subtotal 2.536,00 € MATERIALES BZNOU0001 ud Almohadilla reforzada con caucho natural 3334 25,75 € 85.850,50 € Subtotal 85.850,50 € MAQUINARIA CT32U010 h Motoclavadora desempernadora tirafondos 32 15,20 € 486,40 € CT51U020 h Pala excavadora giratoria bivial 12-20t, con accesorio para colocación de vias 32 104,54 € 3.345,28 € Subtotal 3.831,68 € SUBTOTAL 92.218,18 € GASTOS AUXILIARS 2,00% 50,72 COSTES DIRECTOS 92.268,90 € GASTOS INDIRECTOS 4,00% 3690,756 COSTE EJECUCIÓN MATERIAL 95.959,66 € DESCRIPCIÓN Instalación de almohadillas reforzadas con caucho bajo el carril en un tramo de 1000 ml (2000 ml para el carril completo). Se hará en horario nocturno con jornadas de trabajo de 4 horas de duración. Para la ejecución de estas obras se utilizará máquina especializada. En cada jornada de trabajo se realizará el refuerzo de 200 ml de riel. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 87 5.2.2.- Geotextiles bajo el balasto Otra alternativa de solución para mitigar los defectos causados por los cambios de temperatura son la colocación de geotextiles no tejidos bajo el balasto. Con esta solución encontramos distintas ventajas para la línea de ferrocarril, empezando por que aumenta la vida útil de este, ya que evita la contaminación del balasto por bombeo de material fino y hace que éste pueda mantener sus propiedades a través del tiempo. Además, mejora el drenaje del agua superficial y evita la migración de finos dentro de la piedra, mejorando la capacidad portante de la base. Es decir, la geotextil función como elemento de separación y filtro, colaboran en mantener las propiedades del balasto y mejoran el drenaje superficial. Además, en relación con el análisis de temperatura realizado en este estudio, se puede afirmar que uno de los beneficios clave es la capacidad de evitar la formación de heladas. Este fenómeno ocurre cuando las bajas temperaturas del suelo ascienden hacia la superficie, lo que en este caso afecta directamente a los carriles. Dicho enfriamiento puede provocar que la humedad presente en el entorno se congele, generando capas de hielo que constituyen un peligro significativo. Estas capas pueden ocasionar defectos estructurales o una reducción de la adherencia y cohesión, lo que compromete la seguridad y la funcionalidad de la superficie. La incorporación del geotextil en la estructura ofrece una solución efectiva frente a este problema. Este material actúa como un aislante térmico que regula y retiene el calor en la capa superior de la estructura, limitando así el flujo de frío desde el suelo hacia los carriles. Como resultado, las temperaturas de los carriles tienden a mantenerse más uniformes, reduciendo la probabilidad de que se produzcan heladas o acumulaciones de hielo. Esto no solo mejora la seguridad, sino que también prolonga la vida útil de la infraestructura al minimizar los daños derivados de las temperaturas extremas. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 88 Ilustración 32: Esquema de la instalación del geotextil bajo el balasto. 5.2.2.1Análisis de coste Para la instalación del geotextil bajo el balasto, se ha planificado un proceso detallado que involucra un equipo especializado y el uso de maquinaria específica para garantizar la calidad y eficiencia de los trabajos. La mano de obra está compuesta por seis personas, distribuidas en diferentes roles: encargados, oficiales y manobras. Este equipo se encargará de las tareas relacionadas con la colocación del geotextil, así como de otras actividades complementarias en la obra. Además, se cuenta con dos soldadores especializados, cuya función principal será realizar las uniones y soldaduras de las vías para asegurar la continuidad y estabilidad de la infraestructura ferroviaria. Para llevar a cabo el levantamiento de las vías existentes, se utilizará una pala excavadora giratoria bivial. Por otro lado, el proceso de bateo del balasto, fundamental para estabilizar y nivelar la vía férrea, se realizará con una bateadora, una máquina especializada en compactar, alinear y estabilizar el balasto bajo las traviesas. Adicionalmente, se empleará una pala cargadora para el manejo y transporte de materiales, así como un camión para facilitar la logística en el movimiento de los recursos necesarios en el sitio de la obra. Es importante destacar que, durante la ejecución de los trabajos, será necesario realizar cortes en las vías para ajustar y adecuar su posición. Como consecuencia de estos cortes, se perderán ciertos tramos de vía que no podrán reutilizarse. Se ha calculado que por cada Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 89 1,000 metros lineales de vía se requerirá la sustitución de dos tramos nuevos, lo que asegura que la infraestructura mantenga su calidad y funcionalidad. En cuanto al material geotextil, se ha seleccionado un geotextil no tejido con un gramaje de 250 g/m². Este material ha sido elegido por sus propiedades técnicas, que permiten una adecuada transferencia de cargas desde el balasto hacia la capa subyacente, garantizando la estabilidad del sistema ferroviario. A.- Coste personal Unidades/jornada Horas totales Coste horario Coste total Encargado 1 96 21,92 €/h 2.104.32 € Oficial 1ª 2 288 20,71€/h 5.964,48 € Oficial 1ª soldador 1 96 21,05 €/h 2.020,80 € Manobre 1 192 17,28 €/h 3.317,76 € Tabla 7: Coste del personal en la solución de la instalación de geotextil bajo el balasto. BCoste material Unidades Coste unitario Coste total Carril nuevo de primer uso UIC de 60 kg/m i R350HT (extraduro), según UNE EN 13674-1 160 52,10 €/ml 8.336,00 € Kit para soldadura aluminotérmica de carril UIC de 60 kg/m, con crisol de un solo uso. 170 80,87 €/ud 13.747,90 € Geotextil formado por fieltro de polipropileno/polietileno no tejido, ligado térmicamente de 200 a 250 g/m2. 15.000 2,19 €/m2 32.850,00 € Tabla 8: Coste del material en la solución de la instalación de geotextil bajo el balasto. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 96 5.2.4.- Monitorización La cuarta solución propuesta para implementar en el tramo de la línea RL2 que atraviesa el pueblo de Vallfogona de Balaguer consiste en establecer un sistema de monitoreo continuo del terreno. Este tramo ferroviario, como se ha señalado previamente, se encuentra en una región donde las variaciones térmicas entre el verano y el invierno pueden superar los 40ºC. Estos cambios de temperatura incrementan significativamente el riesgo de deformaciones en las vías, como el pandeo, además de otros problemas asociados al terreno. Para mitigar estos riesgos y garantizar la seguridad y estabilidad de la infraestructura, se propone la instalación de sensores especializados en los puntos más vulnerables de la línea, es decir, aquellos con mayor probabilidad de sufrir pandeo, hundimientos o movimientos no deseados. Este sistema de monitoreo empleará tres tipos principales de equipos tecnológicos, diseñados para recopilar y analizar datos de manera eficiente: 1. Sensores potenciométricos: Estos dispositivos serán clave para detectar deformaciones o movimientos en los rieles, juntas y estructuras cercanas, como puentes y viaductos. Su alta sensibilidad permite monitorear pequeños desplazamientos con precisión, lo cual es esencial para prever fallas antes de que se conviertan en problemas graves. 2. Sistemas de medición de asentamiento electrónico: Este sistema resulta particularmente útil en áreas donde el terreno bajo los rieles es propenso a hundimientos o compactaciones. Proporciona datos precisos sobre los asentamientos del terreno, permitiendo identificar zonas de riesgo en tiempo real. Es ideal para tramos que atraviesan terrenos inestables o con características geológicas complejas. 3. Equipos de instrumentación geotécnica: Este conjunto de herramientas permitirá integrar varios sensores en un sistema de monitoreo en tiempo real. Estos equipos no solo recopilan datos sobre asentamientos, sino también sobre vibraciones, humedad y otras variables críticas a lo largo de la vía. Además, actúan como un nodo central de recopilación y transmisión de datos, facilitando el análisis continuo y la toma de decisiones rápidas en caso de detectar anomalías. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 97 Este sistema de monitoreo no solo ayudará a prevenir daños estructurales en la línea ferroviaria, sino que también permitirá optimizar las tareas de mantenimiento al identificar problemas potenciales con antelación. 5.2.4.1.- Análisis de costes La instalación de los sensores requerirá un equipo compuesto por un encargado, tres oficiales de primera y tres manobres. El encargado trabajará durante 7,5 horas supervisando y coordinando las actividades, los oficiales de primera, con jornadas de 10 horas cada uno, serán responsables de las tareas técnicas como la instalación de los sensores potenciométricos, depósitos de referencia y cajas de protección, además de la conexión de los accesorios. Los manobres, también con jornadas de 10 horas cada uno, se dedicarán al transporte, manejo de materiales y asistencia directa a los oficiales durante el montaje. Los materiales necesarios se dividen en sensores y dispositivos electrónicos, accesorios y equipos adicionales. Los sensores principales incluyen un sensor potenciométrico, un depósito de referencia y una caja de protección, elementos clave para medir asentamientos con precisión. Los accesorios complementan la instalación: conjuntos de tubos, sistemas de fijación, cables de acero inoxidable, una bomba de relleno y líquido de relleno. Estos garantizan la estabilidad y precisión del sistema. Por último, los equipos adicionales incluyen los materiales necesarios para el montaje y el alquiler del equipo registrador, encargado de recopilar y gestionar los datos del monitoreo en tiempo real. El transporte de los materiales al lugar de instalación se realizará con un camión de 250 hp y capacidad de 9,6 m³, que será utilizado durante una hora. Este vehículo permitirá trasladar todos los componentes de manera eficiente y segura. Con este plan, se asegura que el sistema quede completamente instalado y operativo, cumpliendo con los requisitos técnicos y funcionales para el monitoreo continuo del terreno. Para la correcta instalación se colocarán los sensores potenciométricos en puntos clave de la línea ferroviaria donde haya mayor riesgo de asentamiento o movimiento del terreno (puentes, cortes, terraplenes o áreas húmedas), y se utilizará el sistema de medida de Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 98 asentamiento electrónico en las secciones más críticas para obtener datos continuos de posibles hundimientos. Seguidamente se conectarán todos los sensores al equipo de instrumentación geotécnica que recopilará y transmitirá los datos a una plataforma para su análisis. A.- Coste personal Unidades/jornada Horas totales Coste horario Coste total Encargado 1 7,5 21,92 €/h 164,40 € Oficial 1ª 3 40 20,71€/h 828,40 € Manobre 3 40 17,28 €/h 691,20 € Tabla 14: Coste del personal de la solución de monitorizar un tramo de la vía. BCoste material Unidades Coste unitario Coste total Sensor potenciométrico de rango de medida de 5 a 10 mm para control de fisuras 1 495,89 € 495,89 € Depósito de referencia para sistema de medida de asentamiento electrónico 1 1.623,27 € 1.623,27 € Caja de protección del depósito de referencia para sistema de medida de asentamiento electrónico 1 350,12 € 350,12 € Sensor digital para punto de medida en sistema de asentamiento electrónico 4 937,89 € 3.751,56 € Conjunto de tubo de medida PE, tubo+cable para sensores en sistema de asentamiento electrónico 100 7,11 € 711,00 € Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 99 Set de fijación para cable en sistema de asentamiento electrónico 5 17,72 € 88,60 € Cable de acero inoxidable 2,5 mm para sistema de medida de asentamiento electrónico 25 4,22 € 105,50 € Bomba de relleno, referencia/anillo vacío para sistema de asentamiento electrónico 1 386,19 € 386,19 € Líquido de relleno para sistema de medida de asentamiento electrónico, agua+monoetilenglicol 50/50 1 7,08 € 7,08 € Material de instalación para equipo registrador geotécnico 1 551,69 € 551,69 € Alquiler o amortización del equipo registrador, con 2 multiplexores con capacidad para hasta 32 sensores 1 339,49 € 339,49 € Tabla 15: Coste del material utilizado para la solución de monitorizar un tramo de la vía. CCoste maquinaria Unidades/jornada Horas totales Coste horario Coste total Camión de 250 hp, de 20 t (9,6 m3) 1 40 52,92 €/h 52,95 € Tabla 16: Coste de la maquinaria utilizada para monitorizar un tramo de la vía. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 100 Tabla 17: Análisis de coste de monitorizar 1000 ml de carril de la línea RL2 en la zona de Vallfogona de Balaguer. IMPORTE 10 654.68 € JUSTIFICACIÓN DE PRECIOS Código Unidades Precio Importe MANO DE OBRA A0112000 h Encargado 7.5 21.92 € 164.40 € A0121000 h Oficial 1a 40 20.71 € 828.40 € A0140000 h Manobre 40 17.28 € 691.20 € Subtotal 1 684.00 € MATERIALES BVG3U010 u Sensor potenciométrico de rango de medida de 5 a 10 mm para control de fisuras 1495.89 € 495.89 € BVG8U010 u Depósito de referencia para sistema de medida de asentamiento electrónic 11 623.27 € 1 623.27 € BVG8U020 u Caja de protección del depósito de referencia para sistema de medida de asentamiento electrónico 1350.12 € 350.12 € BVG8U030 u Sensor digital para punto de medida en sistema de asentamiento electrónico 4937.89 € 3 751.56 € BVG8U040 u Conjunto de tubo de medida PE, tubo+cable para sensores en sistema de asentamiento electrónico 100 7.11 € 711.00 € BVG8U050 u Set de fijación para cable en sistema de asentamiento electrónico 517.72 € 88.60 € BVG8U060 u Cable de acero inoxidable 2,5 mm para sistema de medida de asentamiento electrónico 25 4.22 € 105.50 € BVG8U070 u Bomba de relleno, referencia/anillo vacío para sistema de asentamiento electrónico 1386.19 € 386.19 € BVG8U080 u Líquido de relleno para sistema de medida de asentamiento electrónico, agua+monoetilenglicol 50/50 17.08 € 7.08 € BVGEU010 u Material de instalación para equipo registrador geotécnico 1551.69 € 551.69 € BVGFU110 u Alquiler o amortización del equipo registrador, con 2 multiplexores con capacidad para hasta 32 sensores 1339.49 € 339.49 € Subtotal 8 410.39 € MAQUINARIA C15019U0 h Camión de 250 hp, de 20 t (9,6 m3) 1 52.92 € 52.92 € Subtotal 52.92 € SUBTOTAL 10 147.31 € GASTOS AUXILIARS 1.50% 0 COSTES DIRECTOS 10 147.31 € GASTOS INDIRECTOS 5.00% 507.3655 COSTE EJECUCIÓN MATERIAL 10 654.68 € DESCRIPCIÓN Monitoreo en tiempo real menusal con sensores potenciométricos, un sistema de medida de asentamiento electrónico y un equipo de instrucción geométrica. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 101 5.2.4.- Análisis medioambiental En el presente estudio, se han analizado los impactos ambientales asociados a cada una de las soluciones propuestas, considerando criterios de sostenibilidad, eficiencia en el uso de recursos y gestión adecuada de residuos. A continuación, se detallan las medidas planteadas para cumplir con las normativas ambientales, minimizar la huella de carbono y fomentar la reutilización de materiales. Para empezar, todos los fabricantes de los materiales utilizados en las diferentes soluciones propuestas deberán de contar con la ISO 14001, que es la norma de Sistemas de Gestión Ambiental (SGA). Asimismo, dichos materiales, llevarán etiqueta ecológica y, por tanto, serán respetuosos con el medioambiente. Cabe destacar que, en el proceso de solicitud de presupuesto y de hacer un comparativo para los materiales necesarios, se priorizará a los proveedores más cercanos al lugar de ejecución de la obra (en este caso, Balaguer) para minimizar la huella de carbono asociada al transporte. En la primera solución mencionada (instalación de almohadillas reforzadas con caucho bajos los rieles), con los equipos de maquinaria que se utilizará, se deberá garantizar que estén en óptimas condiciones de mantenimiento para maximizar su eficiencia y minimizar su impacto ambiental. Además, toda la maquinaria empleada deberá contar con el marcado CE. También se evaluará la posibilidad de adquirir almohadillas fabricadas con caucho reciclado, contribuyendo así a una mayor sostenibilidad. En cuanto a la tercera solución que se ha estudiado de la instalación de geotextil bajo el balasto, el único material a gastar es el geotextil, puesto que los demás materiales como el balasto, serian reutilizados, por lo que no se consumiría ninguna materia prima, los rieles también se reutilizarían. Sin embargo, esta opción requiere el uso intensivo de maquinaria, por lo que se deberá de tener presente los procedimientos a seguir con la maquinaria, explicados anteriormente. En el caso de los recubrimientos térmicos, no es necesaria la ayuda de maquinaria para implementar la solución, pero si hay que tener en cuenta que, los botes de pintura vacíos, clasificados como aerosoles vacíos, con código LER 160504. También se garantizará su adecuado tratamiento, llevándolos con transportistas acreditados a un gestor autorizado. Es importante destacar que, no todos los gestores acogen todos los materiales, y es posible Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 102 que se tengan que llevar a diferentes lugares, aunque siempre se priorizará el transporte al gestor más próximo para reducir la huella de carbono asociada al traslado. Respecto a la gestión de residuos, como son la de los embalajes, que suelen ser de plástico, clasificados con el código LER 170203, y de papel y cartón, clasificados con el código LER 200101, se gestionará adecuadamente llevándolo a un gestor autorizado mediante transportistas autorizados para gestionarlos adecuadamente. Es importante destacar que, se intentará que el embalaje de estos mismo sea el mínimo posible. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 103 6.- CONCLUSIONES El presente trabajo final de máster ha tenido como principal objetivo analizar como las variaciones térmicas afectan a los carriles ferroviarios, y, a partir de ello, proponer soluciones aplicables a infraestructuras existentes. Los cambios climáticos representan un desafío crítico para la seguridad y la durabilidad de las infraestructuras ferroviarias. Este estudio se ha centralizado, dentro de las amenazas climáticas, en las variaciones de temperatura, para así identificar los defectos térmicos asociados y proponer estrategias efectivas para mitigar sus efectos. Posteriormente, estas propuestas se han aplicado sobre una línea ferroviaria existente que pasa por Balaguer: La línea de los Ferrocarriles de la Generalitat de Catalunya (FGC) RL2. A partir del análisis de siete estudios científicos sobre los efectos de las variaciones térmicas en los carriles ferroviarios, se han identificado varios efectos según si la temperatura aumenta o disminuye. En el caso de aumentar esta temperatura, los carriles pueden experimentar efectos de dilatación, fatiga y debilitamiento en los anclajes y una reducción de la resistencia lateral en la infraestructura. En el caso de las temperaturas bajas se observan efectos de contracción en el carril, rigidez extrema en los anclajes y acumulación de hielo en las infraestructuras. Así pues, a raíz del análisis de dichos efectos se han propuesto soluciones específicas con el objetivo de mitigar los defectos provocados por las variaciones térmicas y garantizar un mejor desempeño de las infraestructuras ferroviarias frente a estos desafíos. De todas las soluciones propuestas se han seleccionado cuatro que se consideran las más efectivas y adecuadas para ser implementadas en la línea ferroviaria ya mencionada anteriormente, la RL2. Estas cuatro destacan por su eficacia, viabilidad técnica y capacidad para adaptarse a las condiciones específicas de la línea, donde se experimentan, como se observa en el estudio de temperaturas de la población de Vallfogona de Balaguer, fluctuaciones térmicas de hasta 40 grados de diferencia entre diferentes épocas del año, y hasta 60 grados en los rieles ferroviarios. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 104 Tenemos cuatro soluciones: - Instalación de almohadillas reforzadas con caucho natural. - Instalación de geotextil bajo el balasto. - Recubrimientos térmicos. - Monitoreo en tiempo real. De estas cuatro soluciones, las tres primeras están específicamente diseñadas para mitigar directamente los efectos térmicos en la infraestructura ferroviaria, mientras que, la cuarta solución, el monitoreo en tiempo real, proporciona un sistema de alerta temprana que permite detectar anomalías y anticipar problemas derivados de las variaciones térmicas. Se encarga de facilitar la prevención y poder implementar medidas de forma rápida y eficiente, por ello esta última no será elegida la opción más correcta para mitigar los efectos de las variaciones térmicas, puesto que es más un complemento de las otras tres alternativas. La solución más costosa es la segunda mencionada, la instalación de geotextil bajo el balasto. El material utilizado para este mismo tiene un coste muy bajo, pero se necesita mucha mano de obra y mucha maquinaria que hace que incremente su precio. Desde una perspectiva medioambiental, la instalación de geotextil también resulta ser la opción más perjudicial para el entorno. Esto se debe al elevado número de equipos y maquinaria de gran tamaño que se requiere durante las distintas fases de su implementación. El uso intensivo de este tipo de maquinaria genera un impacto significativo en el medio ambiente, tanto por el consumo de combustibles fósiles como por la emisión de gases contaminantes, además del ruido y la alteración del terreno durante los trabajos. Por esto mismo, esta solución queda descartada, especialmente en este contexto que se busca maximizar la relación coste-beneficio. La tercera opción, recubrir con pintura térmica, representa una solución interesante, pero con limitaciones en su implementación actual. Aunque tiene un coste más asequible en comparación con el geotextil, se trata de una tecnología que todavía está en desarrollo, y su efectividad a largo plazo no está completamente validada. Actualmente, se están llevando a cabo estudios que buscan perfeccionar este tipo de recubrimientos, por lo que se considera una solución más adecuada para ser implementada en el futuro, una vez que Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 105 la tecnología esté más consolidada. Por este motivo, también ha sido descartada como opción inmediata, pese a que se prevé su implantación más adelante. En cuanto a la primera solución mencionada, la instalación de almohadillas reforzadas con caucho natural se presenta como la opción más viable y efectiva. En este caso el montaje es sencillo necesitando únicamente dos máquinas por jornada y 4 trabajadores. El coste, a causa de la elevada cantidad de jornadas, es de 95.959,66 €. Esta opción ofrece una durabilidad excepcional ya que no es necesario mantenimiento ninguno al no tener los anclajes. Además, presenta una gran resiliencia ya que se adapta a cambios de temperatura y condiciones climáticas adversas. Por descontado, ofrece una gran seguridad, puesto que reduce significativamente la posibilidad de defectos en el carril. En términos medioambientales, como se ha mencionado anteriormente, también puede adaptarse, al poder substituir el caucho natural por caucho reciclado. Es cierto que este estudio se ha enfocado en implementar las soluciones mencionadas en una línea de los Ferrocarriles de la Generalitat de Catalunya, pero una posible línea de investigación futura podría centrarse en evaluar su eficacia en otros contextos. Por ejemplo, su implementación podría explorarse en líneas ferroviarias de alta velocidad, donde las fluctuaciones térmicas y las vibraciones son críticas, o en infraestructuras ubicadas en zonas con variaciones térmicas extremas. También, se podría ampliar este estudio realizando un proyecto que combine varias soluciones a la vez, como son la solución escogida, la instalación de almohadillas bajo los rieles ferroviarios, con monitorizar en tiempo real, optimizando así la detección de posibles anomalías y garantizando un mantenimiento predictivo más eficiente. Estas iniciativas permitirían ampliar el alcance de esta solución, adaptándola a una mayor diversidad de escenarios y contribuyendo a una mayor resiliencia de las infraestructuras ferroviarias frente a los retos del cambio climático. Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 112 9.2.- Análisis de coste (TCQ): Instalación de geotextiles bajo el balasto Análisis de coste presentado en el programa TCQ de la segunda solución mencionada en el apartado 5.2: Instalación de geotextiles bajo el balasto. Projecte executiu de reurbanització de la Rambla al Districte de Ciutat Vella de Barcelona Actualització de la separata dels àmbits 4 a 5. JUSTIFICACIÓN DE PRECIOS Fecha: 24/01/25 Pág.: 1 PARTIDAS DE OBRA Z TRABAJO FINAL DE MÁSTER ZTFM0 FAMILIA TFM0 ZTFM0F ZTFM0F ______________________________________________________________________________________________________________ ZTFM0002 ml Instalación de geotextil bajo el balasto en 1000 ml de carril. Rend.: 1,000 168.454,67 € Unidades Precio Parcial Importe Mano de obra A0112000 h Cap de colla 96,000 /R x 21,92000 =2.104,32000 A0121000 h Oficial 1a 288,000 /R x 20,71000 =5.964,48000 A0125000 h Oficial 1a soldador 96,000 /R x 21,05000 =2.020,80000 A0140000 h Manobre 192,000 /R x 17,28000 =3.317,76000 Subtotal: 13.407,36000 13.407,36000 Maquinaria C131U028 h Retroexcavadora de 95 hp, tipus CAT-446 o equivalent 96,000 /R x 50,65000 =4.862,40000 C15019U0 h Camió de 250 hp, de 20 t (9,6 m3) 288,000 /R x 52,92000 =15.240,96000 C131U000 h Pala carregadora de 110 hp, tipus CAT-926 o equivalent 96,000 /R x 59,56000 =5.717,76000 C200SU00 h Equip i elements auxiliars per a tall oxiacetilenic 96,000 /R x 4,64000 =445,44000 CT33U019 h Batonadora de balast per a via 48,000 /R x 1.188,83000 =57.063,84000 CT51U020 h Pala excavadora giratoria bivial de 12 a 20 t, amb accessori per col·locació de vies 96,000 /R x 104,54000 =10.035,84000 Subtotal: 93.366,24000 93.366,24000 Materiales BT48V030 m Carril nou de primer ús UIC de 60 kg/m i R350HT (extradur), segons UNE EN 13674-1 160,000 x 52,10000 =8.336,00000 BT44U020 u Kit per a soldadura aluminotèrmica de carril UIC de 60 kg/m, amb gresol d'un sol ús 170,000 x 80,87000 =13.747,90000 BZNOU0003 m2 Geotextil formado por fieltro de polipropileno/polietileno no tejido, ligado térmicamente de 200 a 250 g/m2. 15.000,000 x 2,19000 =32.850,00000 Subtotal: 54.933,90000 54.933,90000 GASTOS AUXILIARES 2,00 % 268,14720 COSTE DIRECTO 161.975,64720 DESPESES INDIRECTES 4,00 % 6.479,02589 COSTE EJECUCIÓN MATERIAL 168.454,67309 Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 114 9.3.- Análisis de coste (TCQ): Recubrimiento térmico del riel Análisis de coste presentado en el programa TCQ de la tercera solución mencionada en el apartado 5.3: Recubrimiento térmico del riel con pintura especializada para exteriores. Projecte executiu de reurbanització de la Rambla al Districte de Ciutat Vella de Barcelona Actualització de la separata dels àmbits 4 a 5. JUSTIFICACIÓN DE PRECIOS Fecha: 24/01/25 Pág.: 1 PARTIDAS DE OBRA Z TRABAJO FINAL DE MÁSTER ZTFM0 FAMILIA TFM0 ZTFM0F ZTFM0F ______________________________________________________________________________________________________________ ZTFM0003 ml Aplicación de pintura plástica con aislante térmico para exteriores sobre el carril, diseñada para protegerlo de altas temperaturas. El recubrimiento se realizará durante jornadas nocturnas de 4 horas de duración, con un avance estimado de 500 ml de carril por jornada. Rend.: 1,000 3.083,34 € Unidades Precio Parcial Importe Mano de obra A0112000 h Cap de colla 16,000 /R x 21,92000 =350,72000 A012D000 h Oficial 1a pintor 32,000 /R x 20,71000 =662,72000 A013D000 h Ajudant pintor 16,000 /R x 18,39000 =294,24000 Subtotal: 1.307,68000 1.307,68000 Materiales BZNOU0004 kg Pintura plástica con aislante térmico para exteriores. 165,240 x 9,87000 =1.630,91880 Subtotal: 1.630,91880 1.630,91880 GASTOS AUXILIARES 2,00 % 26,15360 COSTE DIRECTO 2.964,75240 DESPESES INDIRECTES 4,00 % 118,59010 COSTE EJECUCIÓN MATERIAL 3.083,34250 Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 116 9.4.- Análisis de coste (TCQ): Monitorización del tramo de vía férrea. Análisis de coste presentado en el programa TCQ de la cuarta solución mencionada en el apartado 5.4: Monitorización de un tramo de vía férrea. Projecte executiu de reurbanització de la Rambla al Districte de Ciutat Vella de Barcelona Actualització de la separata dels àmbits 4 a 5. JUSTIFICACIÓN DE PRECIOS Fecha: 24/01/25 Pág.: 1 PARTIDAS DE OBRA Z TRABAJO FINAL DE MÁSTER ZTFM0 FAMILIA TFM0 ZTFM0F ZTFM0F ______________________________________________________________________________________________________________ ZTFM0004 mes Monitoreo en tiempo real menusal con sensores potenciométricos, un sistema de medida de asentamiento electrónico y un equipo de instrucción geométrica. Rend.: 1,000 12.734,66 € Unidades Precio Parcial Importe Mano de obra A0112000 h Cap de colla 7,500 /R x 21,92000 =164,40000 A0121000 h Oficial 1a 40,000 /R x 20,71000 =828,40000 A0140000 h Manobre 40,000 /R x 17,28000 =691,20000 Subtotal: 1.684,00000 1.684,00000 Maquinaria C15019U0 h Camió de 250 hp, de 20 t (9,6 m3) 40,000 /R x 52,92000 =2.116,80000 Subtotal: 2.116,80000 2.116,80000 Materiales BVG3U010 u Sensor potenciomètric de rang de mesura de 5 a 100 mm i de 0,01 a 0,1 mm de precisió pel control del moviment de fissures, inclòs caixa de protecció, part proporcional de tubs guia i cable des del sensor fins a l?armari de presa de dades i d'enregistrament, segons condicions del Plec de Prescripcions Tècniques 1,000 x 495,89000 =495,89000 BVG8U010 u Dipòsit de referència per a sistema mesura d'assentament electrònic, amb recipient de vessament, per el nivell del líquid constant, rang de 0-200 mm, sortida digital, per a muntatge en paret 1,000 x 1.623,27000 =1.623,27000 BVG8U020 u Caixa de protecció de dipòsit de referència de sistema mesura d'assentament electrònic, amb finestra de manteniment per a muntatge en paret, amb protecció classe IP66 1,000 x 350,12000 =350,12000 BVG8U030 u Sensor digital per a punt de mesura de sistema mesura d'assentament electrònic, rang 0-200 mm y sortida digital per a muntatge en paret. precisió de +-0,01 mm 4,000 x 937,89000 =3.751,56000 BVG8U040 m Conjunt de tub de mesura i tub d'aire de PE i cable de muntatge per a sensors digitals de PVC del sistema mesura d'assentament electrònic 100,000 x 7,11000 =711,00000 BVG8U050 u Set de fixació per cable de muntatge per a sistema mesura d'assentament electrònic 5,000 x 17,72000 =88,60000 BVG8U060 m Cable d'acer inoxidable de 2,5 mm per a muntatge de sistema mesura d'assentament electrònic 25,000 x 4,22000 =105,50000 BVG8U070 u Bomba de reompliment, de referència i d'anivellació per a dipòsit de referència de sistema mesura d'assentament 1,000 x 386,19000 =386,19000 Projecte executiu de reurbanització de la Rambla al Districte de Ciutat Vella de Barcelona Actualització de la separata dels àmbits 4 a 5. JUSTIFICACIÓN DE PRECIOS Fecha: 24/01/25 Pág.: 2 PARTIDAS DE OBRA BVG8U080 l Líquid de reompliment del sistema mesura d'assentament electrònic (desmineralitzat i desgasificat) compost d'aigua i monoethylenglykol 50/50 1,000 x 7,08000 =7,08000 BVGEU010 u Material d'instal·lació d'equip enregistrador de dades, amb 2 multiplexors amb capacitat per fins a 32 sensors, caixa de protecció, connexions, amb sistema de comunicació, alimentació elèctrica amb bateria per evitar pèrdues en cas de fallida elèctrica, segons condicions del Plec de Prescripcions Tècniques 1,000 x 551,69000 =551,69000 BVGFU110 mes Lloguer o amortització equip amb sistema d'adquisició de dades automàtic, per fins a 32 sensors, amb freqüència màxima de 48 lectures diàries per sensor, inclòs lloguer o amortització del sistema d'adquisició de dades en continu per evitar pèrdues en cas de fallida elèctrica, manteniment, emmagatzematge, sistema de representació gràfica de dades i alarmes mitjançant consulta a través d'internet amb un temps de representació dels punts llegits inferior a 1 hora des de la seva lectura, segons condicions del Plec de Prescripcions Tècniques 1,000 x 339,49000 =339,49000 Subtotal: 8.410,39000 8.410,39000 GASTOS AUXILIARES 2,00 % 33,68000 COSTE DIRECTO 12.244,87000 DESPESES INDIRECTES 4,00 % 489,79480 COSTE EJECUCIÓN MATERIAL 12.734,66480 Análisis de estabilidad de carriles en entornos ferroviario con alta diferencia térmica Rocío Bauzán García – Curso 2024-2025 117