hacemos grandes - cedex

HacemosGRANDES

hasta los SUEÑOS

más pequeños...

... porque en Ferrovial Agromán,

ponemos en tus manos

a los profesionales más cualificados del sector,

las más avanzadas tecnologías y más de 80 años

de experiencia en servicio y atención al cliente,

lo que nos ha dado reconocido prestigio

como empresa líder a nivel nacional e internacional.

Nosotros creemos en cada uno de nuestros clientes,

creemos en ese sueño y lo convertimos

en el más importante, dándole el respaldo

y la seguridad de hacerlo realidad.

CARRETERAS, FERROCARRILES, PRESAS, PUERTOS, AEROPUERTOS, OBRA INDUSTRIAL, HOSPITALES, CENTROS COMERCIALES, MUSEOS, VIVIENDAS, HOTELES, UNIVERSIDADES...

Eje Atlántico de Alta Velocidad. Tramo: Rialiño-Padrón (A Coruña). Plataforma.

12451 P 14-3-12 Rev Ing Civil PT.indd 1 14/03/12 10:40

■In

geni

ería

Civ

il •

NÚ

ME

RO

165

GOBIERNODE ESPAÑA

MINISTERIODE FOMENTO

MINISTERIODE AGRICULTURA, ALIMENTACIÓNY MEDIO AMBIENTE

CENTRO DE ESTUDIOS YEXPERIMENTACIÓNDE OBRAS PÚBLICAS

00-Cubierta 165 20/4/12 15:30 Página 1

h e r r e n k n e C h t A G | u t I l I t y t u n n e l l I n G | t r A F F I C t u n n e l l I n G e s pA ñ A

Datos Del Proyecto

escudo ePB s-450Diámetro: 11,520mmPotencia cabezal de corte: 6,300kW Longitud túnel: 4,849mGeología: arena, grava, arcilla dura

contratante

UTE LA SAGRERA (Grupo SACYR, S.A.)

B A r C e l o n A | e s pA ñ A

pAso seGuro BAjo lA sAGrADA FAmIlIA.Los especialistas de túneles de UTE LA SAGRADA idearon un desafío muy especial como parte del proyecto “Túnel del AVE Barcelona Sants-Sagrera”. Casi 5 kilómetros de recorrido de túnel ferroviario (diámetro interior 10,400mm) fue excavado por debajo del centro de la ciudad de Barcelona. Una sección parcial por debajo de la Calle Mallorca merece especial atención: la ruta recorre próximo a los cimientos de la “Sagrada Familia de Gaudí”, un patrimonio de la UNESCO y el orgullo de los catalanes.

Con la ayuda de “Barcino”, y el Escudo EPB S-450 (Ø 11,520mm) de Herrenknecht, los equipos de obra excavaron de forma segura el túnel sin causar ningún impacto en la super-ficie. El 26 de julio de 2011, todos los involucrados en el proyecto celebran el avance exitoso en el eje de destino cerca a la estación de Sants.

Esto ha sido un hito importante para el cliente ADIF para conectar la red ferroviaria española a Francia y Europa. Desde 2010, España tiene la mayor red ferroviaria de alta velocidad en Europa. Casi 20 proyectos de túneles con un total de más de 145 kilómetros de nuevas rutas se han realizado o están todavía bajo construcción utilizando la tecnología Herren-knecht – debajo de las ciudades y a través de cadenas montañosas de la Península Ibérica.

Herrenknecht aG D-77963 Schwanau Tel. + 49 7824 302-0 Fax + 49 7824 [email protected]

www.herrenknecht.com

Herrenknecht IbéricaUnipersonal, s.a.P° Castellana 192–13 dcha.28046 MadridTel. +34 91 359 80 08Fax +34 91 359 20 32

12-04-16_145_ID154_spAz_Barcelona_IngenieriaCivil_210x297_02_bp.indd 1 18.04.12 14:30

Boletín de suscripción

España un año: 49 € Extranjero un año: 81,12 €

❚ Empresa N.I.F. ................................................. ❚ Particular N.I.F. ...............................................Nombre .................................................................................. Cargo ...............................................Dirección ……………................................…………………………………………………………………………………………………………………………..............................…....……... Código Postal .........................Población ................................................................................... Provincia ........................................Teléfono ................................. Fax ......................................... E-mail ..........................................

Formas de Pago(Elíjase solamente una opción)

❚ Domiciliación bancaria (Solamente para cuentas bancarias en España)Muy Sres. míos:Ruego que, con cargo a mi cuenta y hasta nuevo aviso, atiendan el pago de los recibos correspondientes ami suscripción que les presentará al cobro la REVISTA INGENIERIA, editada por el Centro de Estudios yExperimentación de Obras Públicas CEDEX.Les saluda atentamente

Entidad bancaria ...............................................................................................................................Domicilio entidad ................................................................................................................................C.P. ......................... Localidad ................................................... Provincia ........................................

❚ Transferencia a favor del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas CEDEX

Cuenta del CEDEX (desde España): 0182 - 2370 - 45 - 0200200574Cuenta del CEDEX (desde el extranjero): IBAN: ES6501822370450200200574

SWIFT: BBVAESMM

❚ Cheque nominativo a favor del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas CEDEX

Fecha ............................... Firma

El Titular, Fdo. .................................................................................

Entidad Oficina D.C. Núm. de cuenta

Enviar a:Revista Ingeniería Civil (PUBLICACIONES)

Centro de Estudios de Técnicas Aplicadas del • c/ Alfonso XII, 3 • 28014 Madrid

Email: [email protected] Teléfono: 91 335 72 69

✄

desde nuestra página webwww.cedex.es

00-Cubierta 165 20/4/12 15:30 Página 2

S U M A R I O

EL EUROLAZO EN EL SISTEMA DE SEÑALIZACIÓN EUROPEO ERTMS.ENSAYOS DE LABORATORIO EN EL CEDEX.Pedro Agudo Madurga, Alfredo Arroyo Puente, Marta Esteban Carrillo,Susana Herranz de Andrés, José Bueno Pérez y Jaime Tamarit Rodríguez 7

EL EQUIPO EMBARCADO ANTENA-BTM DEL SUBSISTEMA DE TRANSMISIÓNPOR EUROBALIZA EN EL SISTEMA DE SEÑALIZACIÓN EUROPEO ERTMS.ENSAYOS DE LABORATORIO EN EL CEDEX.Alfredo Arroyo Puente, Pedro Antonio Agudo Madurga, Marta Esteban Carrillo,Susana Herranz de Andrés, José Bueno Pérez y Jaime Tamarit Rodríguez 19

ENSAYOS DE EUROCABINA EN EL LABORATORIO DE INTEROPERABILIDADFERROVIARIA CEDEX (LIF).Daniel Molina Marinas, Rodrigo Cáceres Harris, Myriam González Seco,Santiago GarcÍa Cordero, José Bueno Pérez, Jaime Tamarit Rodríguez,Miguel López Hernández, Miguel Fernández Elorriaga y Antonio Martínez 37

PAPEL DE INECO EN LAS PRUEBAS DE INTEGRACIÓN TREN-VÍA DELSISTEMA ERTMS.Ana Mª Gómez Sánchez y Pablo Villar Cubillas 45

APLICACIÓN DE VOLANTES DE INERCIA PARA LA MEJORA DE LAEFICIENCIA EN EL TRANSPORTE FERROVIARIO.Marcos Lafoz Pastor, Luis García-Tabarés Rodríguez y Cristina Vázquez Vélez 51

HARDWARE IN THE LOOP - AUTOMATIZACIÓN DE ENSAYOS YLA ACREDITACIÓN DE ACUERDO A LA NORMA DIN EN ISO/IEC 17025HARDWARE IN THE LOOP - TEST AUTOMATION AND THE DINEN ISO/IEC 17025 ACCREDITATIONLars Ebrecht, Lennart Asbach, Clemens Preuk e Ingo Steinhäuser 61

SEGUIMIENTO EN TIEMPO REAL DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURALDE PUENTES EN LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD.VIADUCTOS DE SANT-BOI (BARCELONA).Pablo Díaz Simal y Eduardo José López Rodríguez 75

ENSAYOS DE LABORATORIO A ESCALA 1:1 EN EL CEDEX PARADETERMINAR EL COMPORTAMIENTO A CORTO Y LARGO PLAZODE LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD.V. Cuéllar, F. Navarro, M. A. Andreu, J. L. Cámara, F. González, M. Rodríguez,A. Núñez, P. González, J. Navarro y R. Rodríguez 91

VARIACIONES DE RIGIDEZ DE VÍA EN ZONAS DE TRANSICIÓN.A. Tijera, R. Ruiz, V. Cuéllar y M. Rodríguez 103

ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE CARGAS DINÁMICAS PARA EL ESTUDIO DELA FATIGA DE UNA LÍNEA DE ALTA VELOCIDAD CON TRÁFICO MIXTO.J. L. Cámara, V. Cuéllar, P. González, G. Martín, R. D. Casquero,M. Rodríguez y J. A. Villaronte 115

DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS APLICADAS AL CARRIL MEDIANTEBANDAS EXTENSOMÉTRICAS.Javier Moreno Robles y José Luis García de la Oliva 123

DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE TÚNELESFERROVIARIOS EN LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD.Antonio Lozano del Moral 131

NUM. 165 - ENE.FEB.MAR. - 2012

Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas

Publicación incluida en el programa Editorial para 2012

COMITÉ DE REDACCIÓN

Presidente

Miguel González Portal

Vocales

Enrique Dapena GarcíaVíctor Elviro García

Antonio Lechuga AlvaroPablo Mira McWilliams

Mª Angeles de Pablo SanmartínFrancisco Javier Sainz de Cueto Torres

Francisco Sinis FernándezJaime Tamarit Rodríguez

REDACCIÓN

Centro de Estudios y Experimentación de Obras PúblicasAlfonso XII, 3 - 28014 Madrid - Telf.: 913 35 72 69 - Fax: 913 35 72 49

e-mail: [email protected]

El Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas(CEDEX) no se hace responsable de las opiniones, teorías o

datos publicados en los artículos de Ingeniería Civil, siendo elloresponsabilidad exclusiva de sus autores.

COORDINACIÓN DE PUBLICIDAD

Manuel Pombo Martínez

PUBLICIDAD

Orense, 6 - Telfs.: 915 55 36 93 - Fax: 915 56 40 60 - 28020 Madride-mail: [email protected]

PRECIO DE ESTE EJEMPLAR: 12,25€

I.S.S.N.: 0213-8468 - N.I.P.O.: 163-12-002-5Depósito Legal: M-28150-1971 - AUTOEDICIÓN Y PUBLICIDAD

NUESTRA PORTADA: (Foto superior) Laboratorio de eurobaliza/BTMdel Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria del CEDEX.(Foto inferior) Ensayos acelerados en modelos a escala 1:1 de seccio-nes completas de vía plena y calibración de modelos numéricos 3D dezonas de transición en el Laboratorio de Geotecnia del CEDEX.(Fotos: Javier Plasencia)

CENTRO DEPUBLICACIONES

SECRETARÍAGENERALTÉCNICAMINISTERIO

DE FOMENTO

En nuestra página web <www.cedex.es>encontrará las normas para la publicación de artículos

Papel reciclado postconsumo

001 STAFF+SUMARIO 165.qxd 20/4/12 16:57 Página 1

Como es bien sabido, el transporte de pasajeros y mer-cancías por ferrocarril se presenta como un objetivo

prioritario de la política de transporte en España. En esteobjetivo, una vez más, inciden problemas ingenieriles,-enel ámbito de la planificación, construcción, explotación ymantenimiento de las infraestructuras -, pero, también,problemas ambientales, económicos, jurídicos, de oportu-nidad política, etc. A los ingenieros les corresponde mini-mizar al máximo las incertidumbres tecnológicas asocia-das a este objetivo, de forma que las decisiones que seadopten en cumplimiento del mismo impliquen los míni-mos riesgos tecnológicos posibles y, en este sentido, creoque es justo reconocer que el CEDEX ha jugado un impor-tante papel.

Este papel del CEDEX se ha articulado a través de losdos elementos siguientes: la capacidad de su personalcientífico - técnico, por un lado, y los equipos e instalacio-nes singulares de ensayo y experimentación que integransu patrimonio capital, por otro.

Comencemos por el segundo. Como decíamos, elCEDEX dispone de una serie de instalaciones singulares,que ha requerido un esfuerzo inversor muy importante,con los que se han podido resolver cuestiones esencialespara el despliegue ferroviario de alta velocidad y su com-patibilidad con el tren de mercancías. En el ámbito de lainfraestructura ferroviaria, uno de ellos es la célula deensayos acelerados de ferrocarriles, conocido coloquial-mente, como “el cajón ferroviario”, en el que se puedesimular la infraestructura ferroviaria a escala 1:1. Se tra-ta de un cajón de 21 metros de longitud, cinco de ancho ycuatro de profundidad en el que a través de una serie deactuadores se transmiten a la vía las cargas de los ejesdel tren, de forma que una red de sensores nos permiteconocer a su paso el estado tensional en todos los elemen-tos que conforman el conjunto vía-traviesa - balasto (o pla-ca)-terraplén. La ventaja de dicha instalación es la posibi-lidad de conocer las condiciones de explotación de la vía enel largo plazo, con tan sólo unas semanas de ensayo. Sinduda, en los artículos de este número de Ingeniería Civilse desarrollará más extensamente y con más criterio lascapacidades de esta instalación y de otras del CEDEX(mesa sísmica para el análisis de vibraciones y fatiga delmaterial móvil, triaxiales y equipos de corte directo de

gran diámetro, etc.), que sitúan este Organismo a la cabe-za del conocimiento en la materia.

En el ámbito de la señalización ferroviaria el Laborato-rio de Interoperabilidad Ferroviaria del CEDEX está per-mitiendo la validación de trenes en laboratorio, con lareducción notable de costes que supone frente a la alterna-tiva de validación en vía. El papel de este laboratorio y,muy en concreto, de sus responsables técnicos, en la uni-versalización del ERTMS yo creo que es generalmentereconocido

Por lo que se refiere al primer elemento, el personal téc-nico –científico, hay que decir sin ningún tipo de reservaque es de un nivel sensacional, por su especialización ycualificación, sin que, es justo reconocerlo, existan meca-nismos suficientes de promoción personal o económica, quealienten esa dedicación durante muchos años. Se trata depersonas con un perfil muy escorado hacía su desarrolloprofesional en clave técnica y científica, cuestión que prio-rizan, como digo, por encima, de cualquier otra considera-ción, incluida la económica. Son éstos valores que da lasensación que cada vez son más escasos. En todo caso, loimportante es seguir disponiendo en el futuro de ese tipode personas, que basen su vida profesional en el mérito yla capacidad científica. Habrá que instrumentar mecanis-mos que potencien esas actitudes.

Por último, quisiera insistir que el técnico no puedepretender monopolizar la toma de decisión en materia deinfraestructuras ferroviarias, pero tampoco se puedeninfravalorar las cuestiones técnicas en la toma de decisión,de forma que el mérito y capacidad del responsable políticoque la asuma se ha de basar en la integración de, suficien-temente ponderados, elementos técnicos, económicos, jurí-dicos y de oportunidad política, entre otros, conscientes deque dicha decisión es única y no se puede parcelar en fun-ción de la perspectiva desde la que se observe. A los inge-nieros nos corresponde que el ingrediente técnico de ladecisión presente el menor grado de incertidumbre posible.No creo que sea pequeña nuestra responsabilidad.

MARIANO NAVAS GUTIÉRREZDIRECTOR DEL CEDEX

3Ingeniería Civil 165/2012

Presentación

Ingeniería Civil:ferrocarriles

03PRESENTACION 20/4/12 14:33 Página 3

GABINETE DE FORMACIÓN DEL

CURSO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA DE REGADÍOSMadrid, de 10 de septiembre a 5 de diciembre de 2012

EL REGADÍO

El regadío es esencial para producir alimentos y para asentar población en el territorio rural, especialmente en los trópicos y en lasregiones áridas y semiáridas. El progreso del regadío en España durante la segunda mitad del siglo XX ha logrado, además deaumentar significativamente el área regada, el desarrollo de la ingeniería de regadíos. En este período, el conocimiento y experienciaespañoles en esta materia ha sido solicitado por otros países, especialmente de Iberoamérica. Por ello, el Centro de EstudiosHidrográficos (CEH) del CEDEX ha prestado asistencia técnica a países en desarrollo desde el inicio de la década de 1970. Uno delos instrumentos relevantes en este aspecto ha sido el Curso Internacional de Ingeniería de Regadíos, que con gran éxito ha llevado acabo el CEDEX, a través de su Centro de Estudios Hidrográficos y del Gabinete de Formación y Documentación desde 1972.

OBJETIVOS

La edición de este curso se orienta a profesionales de España y de otros países con cierta experiencia en regadíos, pero también ajóvenes profesionales y estudiantes de grado máster interesados en este sector de la ingeniería.

PROGRAMA

1. RECURSOS HÍDRICOS PARA RIEGO

Regulación de agua superficial; captación de aguas subterráneas; recursos hídricos no convencionales; modelos físicos ymatemáticos.

2. VIAJE DE ESTUDIOS A LA CUENCA DEL GUADALQUIVIR

3. REDES DE CONDUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AGUA DE RIEGO

Componentes, diseño, construcción, modernización, operación, mantenimiento y conservación de sistemas de conducción y deredes de distribución del agua de riego; estaciones de bombeo y balsas de regulación; modelos matemáticos.

4. FUNDAMENTOS DE CLIMA, HIDROLOGÍA, SUELOS Y CULTIVOS RELACIONADOS CON EL REGADÍO

Estado y flujo del agua en el suelo; determinación de características hidrológicas del suelo; propiedades químicas de los suelos;cálculo de las necesidades de agua de riego de los cultivos; programas de cálculo.

5. SISTEMAS DE RIEGO PARCELARIO

Componentes, diseño, construcción, operación y mantenimiento y evaluación de sistemas de riego por aspersión, gravedad ylocalizado.

6. DRENAJE DE TIERRAS REGABLES Y CONTROL DE LA SALINIDAD DE LOS SUELOS REGABLES

Componentes, diseño, construcción, operación y mantenimiento y evaluación de sistemas de drenaje parcelario superficial ysubterráneo y de la red principal de drenaje. Calidad del agua de riego; control de la salinidad en los suelos regables;recuperación de suelos salinos y sódicos; manejo del agua de drenaje.

7. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE ZONAS REGABLES

Marco institucional y legal; operación y mantenimiento; aspectos económicos; viaje de estudios.

004-005 CURSOS 20/4/12 14:34 Página 4

GABINETE DE FORMACIÓN DEL

8. MODERNIZACIÓN DE REGADÍOS EXISTENTES

Aspectos hidrológicos, técnicos, agrícolas, ambientales, económicos, legales e institucionales de la modernización de regadíos;gestión colectiva del riego; programa de gestión para comunidades de regantes y servicio de asesoramiento al regante.

9. PLANIFICACIÓN DE UNA NUEVA ZONA REGABLE

Herramientas utilizadas para la planificación: GIS y teledetección; estudios previos y de viabilidad técnica, ambiental,socioeconómica y financiera; planes de transformación y de obras; evaluación de una zona bajo riego.

Para cualquier aclaración sobre aspectos técnicos se pueden dirigir a la Jefatura de Estudios del Curso (913357971,[email protected]).

LUGAR Y DURACIÓN DEL CURSO

La duración del curso será de tres meses aproximadamente, impartido del 10 de septiembre al 5 de diciembre de 2012, pudiendorealizarse completo o bien módulos individuales de especialización. Las clases se desarrollarán en las aulas del CEH del CEDEX,situado en el Paseo Bajo de la Virgen del Puerto, 3 (28005 Madrid, España) en horario de 15h a 19h. Ocasionalmente, seimpartirán clases magistrales o visitas de laboratorio y campo en horario de mañana.

DIPLOMAS

A la finalización del curso se extenderá un certificado de asistencia a los alumnos que hayan asistido con regularidad a las clasesy un diploma de suficiencia y certificado con la nota media de las evaluaciones realizadas a aquellos alumnos que, además,hayan superado las pruebas de aptitud.

La realización con aprovechamiento de módulos individuales supondrá la obtención de diplomas de especialización de cada unode ellos.

CUOTA:

2800€ aproximadamente

CONDICIONES DE INSCRIPCIÓN

Para solicitar la preinscripción, los participantes deberán cumplimentar la solicitud que figura en la última página de estedocumento y remitirla al Gabinete de Formación y Documentación acompañada de un curriculum vitae abreviado.([email protected]).

La selección se realizará por la Comisión Docente del Curso, de acuerdo con la disponibilidad de plazas, con la idoneidad de lossolicitantes en relación con las materias objeto del programa y con los méritos académicos y profesionales. El número departicipantes será limitado y la realización del curso queda sujeta a un número mínimo de preinscripciones. Serán publicadas laslistas de alumnos admitidos.

Para obtener más información sobre el curso se pueden dirigir a la Secretaría del mismo: [email protected] 913357315 / 7311/ 7243.

COMISIÓN DOCENTE

Presidente: Director del curso (Julián Martínez Beltrán).

Secretario: Jefe de Estudios (María Comes Gracia).

Miembros: Gabinete de Formación y Documentación del CEDEX (Ángel González Santos).Coordinadores de módulos.

004-005 CURSOS 20/4/12 14:34 Página 5

Con PROASvuelve a estrenarcarretera.

www.proas.es

Nuestra amplia gama de productos cuidan y conservan el buen estado de las carreteras. Sea cual sea tu necesidad elige PROAS y estarás apostando por productos de última tecnología pensados para alargar la vida de la carretera.

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

K

PROAS 210x285.ai 1 30/03/12 14:47PROAS 210x285.ai 1 30/03/12 14:47

1. LAS ESPECIFICACIONES DE EUROLAZO,NORMATIVA EUROPEA

La normativa del Sistema de Transmisión de Eurolazo in-cluida en las ETI comprende dos documentos: las especifica-

ciones y requisitos de los componentes de vía y de la parteembarcada en el tren, y las especificaciones de ensayo paradichos equipos. Ambas especificaciones han sido escritas porUNISIG (consorcio que agrupa a las principales compañías deseñalización ferroviaria: ALSTOM, ANSALDO, BOMBAR-DIER, INVENSYS, SIEMENS, THALES):

• UNISIG Subset-044. FFFIS for Euroloop

• UNISIG Subset-103. Test Specification for Euroloop

La especificación de ensayos afecta por separado tanto alequipo embarcado como al equipo de vía. La evaluación posi-tiva de dichos ensayos asegura la interoperabilidad entreequipo de vía y equipo embarcado de distintos fabricantes.

Por otra parte la participación del CEDEX en un proyectode investigación nacional de eurolazo de interés para ADIF yRENFE ha permitido un estudio a fondo de las especificacio-nes de ensayo, la adquisición de nuevos equipos, el desarrollode nuevas herramientas de análisis, la definición de los pro-tocolos de ensayos, en definitiva la puesta a punto del Labo-

El eurolazo en el sistema deseñalización europeo ERTMS.

Ensayos de laboratorio en el CEDEX

PEDRO AGUDO MADURGA (*), ALFREDO ARROYO PUENTE (**), MARTA ESTEBAN CARRILLO (***),SUSANA HERRANZ DE ANDRÉS (****), JOSÉ BUENO PÉREZ (*****) y JAIME TAMARIT (******)

THE EUROLOOP SUBSYTEM IN THE EUROPEAN SIGNALLING SYSTEM ERTMS. LABORATORY TESTS AT CEDEXABSTRACT The aim of this article is to offer an essential overview of the euroloop subsystem. Euroloop subsystem operateson Level 1 lines, providing in-fill information to the train. A brief review of the set of tests that are defined in the Europeannormative is included in this paper. The purpose of these tests is to verify that the euroloop onboard or trackside equipmentfulfils the specifications and therefore they are interoperable. Participation of CEDEX in a euroloop national researchproject has allowed to study and set-up the Laboratory for euroloop testing.

RESUMEN Este artículo da unas nociones básicas acerca de la interfaz de eurolazo en el sistema de señalización ERTMS.El eurolazo opera en líneas de Nivel 1 adelantando información del estado de la próxima señal que va a encontrar el tren,permite pues adelantar el estado de la señalización de vía tan pronto como el tren entre en la zona donde está instalado elcable de eurolazo, un tren parado o en movimiento en esta zona estará recibiendo la información in-fill enviada por vía. Elsubsistema de eurolazo está compuesto por una parte de vía y otra embarcada, en el artículo se hace una revisión al con-junto de ensayos que verifican que tanto el equipo de abordo como de vía satisfacen la normativa Europea y son por ellointeroperables. La participación del CEDEX en un proyecto de investigación nacional de eurolazo de interés para ADIF yRENFE ha permitido estudiar y poner a punto el laboratorio para estos ensayos.

7

Palabras clave: Eurolazo, Sistema europeo de señalización ferroviaria ERTMS,Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad.

Keywords: Euroloop, European Signalling System, ERTMS Technical Specification for Interoperability.

(*) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria(LIF) CEDEX. Dr. Ciencias Físicas. E-mail: [email protected](**) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX.Dr. Ciencias Químicas. E-mail: [email protected](***) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX.Licenciada en Ciencias Físicas. E-mail: [email protected](****) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX.Ingeniera de Telecomunicaciones. E-mail: [email protected](*****) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX.Dr. Ingeniero Naval. E-mail: [email protected](******) Director del Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF)CEDEX. Dr. Ciencias Físicas. E-mail: [email protected]

Ingeniería Civil 165/2012

10EUROLAZO 20/4/12 14:35 Página 7

ratorio. La campaña de ensayos realizada en el laboratorioha permitido por una parte verificar el estado de la funciona-lidad de los prototipos en diferentes fases del proyecto, y porotra el estado de consolidación de las propias especificacionesde ensayo. Adicionalmente la participación en el diseño y eje-cución de experimentos de integración del equipo de vía conel equipo embarcado en la última fase del proyecto con unainstalación real del prototipo de vía instalado en la zona deTres cantos de la línea de Cercanías y el prototipo de equipoembarcado en una locomotora 252 ha permitido demostrarcon éxito la funcionalidad de ambos equipos así como la po-tencialidad operativa del sistema de eurolazo en la red deCercanías.

2. ALGUNAS NOCIONES SOBRE EL EUROLAZOEl eurolazo es uno de los medios que tiene la vía de transmi-tir información infill al tren en el Nivel 1 de señalización delERTMS, el sistema requiere de un grupo de balizas que leanuncien previamente. El tren en su aproximación a la zonadonde está instalado el cable de eurolazo recibe por un grupode balizas el paquete de información que anuncia la identifi-cación del lazo, su posición (comienzo y longitud) y su códigoasignado.

La propia antena de activación de 27.095 Mhz que activalas eurobalizas, es la que activa al equipo de vía emitiendo laseñal up-link de eurolazo, así que el tren comienza a recibirla información de vía en cuanto entra en la zona donde está

instalado, la longitud del cable de eurolazo puede ser dehasta 1 km.

El equipo LOOMO (Loop Modem) que controla el eurolazoestá conectado al sistema de control de tráfico de tierra a tra-vés del LEU (Lineside Electronic Unit, la misma unidad elec-trónica que envía los telegramas a las eurobalizas controla-das), la detección de la señal de activación de la antena de untren por el LOOMO dispara la emisión de la señal de up-linkde eurolazo con el telegrama que le está enviando el LEUacorde al aspecto de la señal principal, en cuanto cambie elaspecto de la señal el LEU cambia el telegrama y se detecta abordo esté el tren parado o en movimiento.

El cable eurolazo instalado a lo largo del rail es un cableradiante que emite la señal de up-link, esta señal electromag-nética es una señal modulada de espectro ensanchado con elcódigo asignado sobre una portadora de 13.54 Mhz.

La instalación del cable puede ser en simple sobre una vía,en doble sobre una misma vía con cada eurolazo asignado aun sentido, o en paralelo cada eurolazo para un sentido peroen vías adyacentes.

La inducción de esta señal en la antena de eurolazo deltren es detectada por el modulo de eurolazo (LTM, LoopTransmission Module) que es capaz de demodular y discrimi-nar la información correctamente aún en presencia de otrasseñales de eurolazo ya que conoce el código asignado al lazode interés, código recibido previamente por eurobalizas. Estemódulo pasa la información recibida de vía al kernel de la eu-rocabina.

EL EUROLAZO EN EL SISTEMA DE SEÑALIZACIÓN EUROPEO ERTMS. ENSAYOS DE LABORATORIO EN EL CEDEX

8 Ingeniería Civil 165/2012

FIGURA 1.

FIGURA 2.

Loop Modem(LOOMO)Function Antenna Unit (AU)

Function

Jumper Cable Activation Signal

Interface “AL4” Interface “AL1”Euroloop Signal

Euroloop Leaky Cable (ELC) Function

Termination

Euroloop Leaty Cable (ELC) Function

Euro of Loop Market (EOLM)Function (not part of ELS)

Loop Modern (LOOMO)Function

Travelling Direction

JumperCable

fromLEU


El equipo LOOMO en vía se debe activar con la presenciade la señal de activación emitida por la antena del tren en untiempo inferior o igual a 105ms, y estará transmitiendo la se-ñal de up-link de forma continua entre 60 y 90 segundos, ins-tante en que se desactiva y se reactiva dentro de 105ms mien-tras detecte la presencia de la señal de activación del tren poracoplamiento en el cable de eurolazo. Cuando la antena del

tren sale de la zona del eurolazo el equipo LOOMO deja detransmitir al terminar su ciclo de activación.

3. INTERFACES DEL SUBSISTEMA EUROLAZOEn las especificaciones de Eurolazo “FFFIS for Euroloop”,Subset-044, están definidas las interfaces del subsistema. LaFigura 4 muestra estas interfaces:



FIGURA 3. Eurolazo en estación de TresCantos. Locomotora 252 de pruebas.

FIGURA 4. Interfaces delsubsistema Eurolazo.

ERTMS/ETCS Kernel

Kernel Interface On board Equipment (OE)

LTM Function“VL” Interface

“CAL” Interface

“CL2” Interface“CL3” Interface“CL6” Interface

Termination

Loop Decorder(LD) Function

Loop Modem (LOOMO) Function

Transmission LineLEU → LOOMO

TracksideEquipment (TE)

BaliseFunction

Data Interface “S”to Interlocking

Lineside Electronic Unit(LEU)

Loop Receiver(LR) Function

Antenna Unit (AU) Function

BTMFunction

Air Gap “AL4” Interface(Activation Signal)

“AL1” Interface(Uplinkl)

“CL1” Interface Euroloop Subsystem (ELS)

Euroloop Leaky Cable (ELC) Function


Las interfaces que guían los datos desde que sale del LEUen la sala de control en tierra hasta que entra en la euroca-bina abordo del tren se marcan en azul.

Por parte del equipo de Vía:• Interface CL1: Se utiliza para transmitir los telegra-

mas desde el LEU al LOOMO.• Interface CL2: Interface opcional que muestra el estado

del LOOMO.• Interface CL3: Utilizada para activar al equipo LO-

OMO por medio de una señal externa y no por mediodel acoplamiento con la antena del tren.

• Interface CL6: Se utiliza para conectar el equipo LO-OMO a una fuente de alimentación.

• Interface CAL: Es la salida del equipo LOOMO, seutiliza para verificar los requerimientos exigidos en lasespecificaciones. Esta salida se conecta con el cable ra-diante a través del Jumper cable.

• Interface AL1: Es la señal de up-link de eurolazo utili-zada para transmitir los telegramas a través del aire ala antena del tren.

Por parte del equipo embarcado:• Interface AL4: Es la señal de activación de telepowe-

ring de 27.095Mhz, la misma que se utiliza para acti-var las eurobalizas.

• Interface VL: Se utiliza en los ensayos para verificar lafuncionalidad del equipo.

• Kernel Interface: Interface propietaria de cada com-pañía.

4. LOS ENSAYOS SOBRE EL EQUIPO DE VÍAEl conjunto de ensayos sobre el equipo de vía definidos en la sec-ción 5 del Subset-103 se muestra en la lista siguiente, se tratade verificar en las interfaces del sistema los requisitos exigidosen las especificaciones en diferentes condiciones. Agrupando porinterfaces se describe brevemente el objetivo de cada ensayo,mostrando algunas imágenes o registros característicos.

Ensayos de verificación de la interface CL1:5.5 Distortion Immunity of Signal on Interface ‘CL1’.

Se verifica la inmunidad del equipo LOOMO ante

señales distorsionadas a su entrada en la interfaceCL1.

5.16 Return Loss at Interface ‘CL1’. Para verificar laadaptación de impedancias entre el LEU y el equipoLOOMO que debe estar en los rangos exigidos.

Ensayos de verificación de la interface CAL:5.1 LOOMO Output Signal: Spectrum Mask. Para veri-

ficar el espectro en potencia de la señal de salida delLOOMO.

5.2 LOOMO Output Signal: Q_SSCODE and CentreFrequency. Se verifica que la señal emitida contieneel código correcto, con el código n°15 se verifica quecumple los requisitos con respecto a frecuencia cen-tral.

5.3 Quality of the LOOMO Output Signal. Que cumplelos requisitos de calidad exigidos.

5.4 MTIE of the Modulation Signal on Inteface ‘CAL’. Secomprueba la capacidad del LOOMO de generar unaseñal modulada cuyas características de MTIE(Mean Time Interval Error) estén dentro de límitesfrente a señales de entrada desde el LEU con distor-sión de fase y desviación en frecuencia.

5.6 Single Sideband Phase Noise. Con el LOOMO enmodo test, esto es transmitiendo solo la portadora enfrecuencia y eliminando la señal moduladora, semide el SSB Single Sideband Phase Noise.

5.7 Return Loss at Interface ‘CAL’. Se trata de medir laadaptación de la entrada de 27 Mhz en el equipoLOOMO.

5.17 Bit Error Ratio Measurement on Interface ‘CAL’. Severifica el Bit Error Date de la secuencia de datoscontenido en la señal de up-link de eurolazo.

Ensayos de verificación de la interfaces CL2, CL3 yCL6:5.10 Testing Error Indication of LOOMO-Interface ‘CL2’.

La interface CL2 indica el estado de error del LO-OMO y es opcional. La interface CL2 se basa en uncontacto normalmente cerrado indicando que no hayerror, el LOOMO activará la señal CL2 abriendo elcontacto ante la presencia de cualquier error interno



FIGURA 5. Ejemplo de la forma de onda de una señal CAL en función del tiempo y espectro en potencia de la señal CAL con valores por debajo de lamáscara exigida.

0 500n 1u 1.5u 2u 2.5u

100000 1000000 10000000 100000000 10000000001.5

1.0

0.5

0.0

–0.5

–1.0

–1.5

0

–100

–20

–30

–40

–50

–60

–70

–80Time n Δt [s]

S LP(n

Δt)


y además ante la presencia de una señal CL1 defi-ciente, en todos estos casos el sistema conmutará astand-by dejando de emitir. La monitorización de laseñal CL2 indicará pues que existe algún error en elLOOMO o que la señal está llegando mal desde elLEU.

5.13 Testing External Activation of LOOMO- Interface’CL3’. La interface CL3 es un switch de contactoabierto, cuando este se cierra el LOOMO se activa, yal abrirse el LOOMO se desactiva.

5.9 Activation and Deactivation Principles. Se verifica lafuncionalidad de los modos existentes de activación(trasmitiendo) y desactivación (paso al modo destand-by sin transmitir) del equipo LOOMO, con res-pecto al estado de las señales de telepowering (AL4),calidad y presencia de Deactivation Bit Pattern en se-ñal de LEU (CL1), y estado señal switch CL3.

5.15 Power consumption of LOOMO. Con el equipo trans-mitiendo una señal de eurolazo se mide la potenciaconsumida de la red por el equipo LOOMO.

Como ejemplo y observando en la gráfica los eventos mar-cados en el registro de la Figura 6 se verifica parte de la fun-cionalidad exigida al equipo LOOMO en los pasos 4 a 8 de lasecuencia de ensayo 5.9.

• Paso 4: En ausencia de señal de entrada CL1 y en pre-sencia de telepowering (azul), no se emite señal de sa-lida (rojo) aunque se active y desactive el switch CL3(verde).

• Paso 5. En ausencia de señal de entrada CL1, conswitch CL3 desactivado y en presencia de telepowering(azul), al desaparecer la señal de telepowering (azul) nose emite señal de salida (rojo).

• Paso 6: Sin telepowering con switch CL3 desactivado yen presencia de señal CL1 con todos ceros no debe salirseñal del LOOMO.

• Paso 7: Sin telepowering en presencia de señal CL1todo ceros al activar switch CL3 el LOOMO se activa yemite señal CAL, cuando se desactiva switch CL3 elLOOMO se desactiva y deja de emitir.

• Paso 8: Con señal CL1 todo ceros, CL3 desactivado, siaparece telepowering el LOOMO se activa y emite se-ñal CAL.

Ensayos de verificación de la interface AL4:5.11 Maximum Activation Signal Level Testing of LO-

OMO. Se verifica el correcto funcionamiento delequipo LOOMO cuando se recibe una señal de acti-vación de telepowering de potencia la máxima espe-cificada. El ensayo se repite con señal de telepowe-ring en modo toggling. El ensayo se repite encondiciones ambientales extremas.

Ensayos de verificación de la interface AL1:5.12 Testing of Magnetic Field Strength Limits on Inter-

face ‘AL1’. En este ensayo se mide la potencia emi-tida por el equipo LOOMO con el cable ELC mon-tado en la herramienta ERT.

5.14 Field Strengh at Approval of Type of Installation.Verificar que instalado el equipo LOOMO con el ca-ble de eurolazo en una vía real la intensidad decampo de la señal de up-link emitida es conforme aespecificaciones en todo el recorrido de la longitudde cable.

5. LOS ENSAYOS SOBRE EL EQUIPO EMBARCADOEl conjunto de ensayos sobre el equipo embarcado esta defi-nido en la sección 6 del Subset-103. Se trata de verificar losrequisitos en la interface AL4 (señal de telepowering) y en lainterface de datos VL salida del modulo LTM del equipo em-barcado. Para estos ensayos se utilizan señales de prueba re-ferenciadas en las especificaciones y que suministra directa-



FIGURA 6. Registro delestado señales Canal1:entrada CL1 del LEU,Canal2: salida CLA delLOOMO, Canal3: señal deTelepowering y Canal4: señalswitch CL3 en el ensayo 5.9.


mente la ERA (Agencia Europea del Ferrocarril), el objetivoes determinar la capacidad del equipo embarcado de demodu-lar correctamente las señales de up-link de pruebas en dife-rentes condiciones, la exigencia de calidad a la señal de datosobtenida viene en forma de límite expresado en el cálculo delBER (Bit Error Rate) que expresa la tasa de bits erróneos re-cibidos respecto al total de bits enviados en un tiempo deter-minado.

6.1 Interface ´AL4´- Activation Signal. En todas las con-diciones de instalación de la antena (alturas, despla-zamientos laterales y ángulos) que proporciona el fa-bricante verificar valores del flujo mínimo que llegaa la localización del cable de eurolazo en la vía.

6.2 Transfer of Spreading Code Number to Loop Recei-ver. Verificar que el equipo de abordo responde ytransmite correctamente los datos recibidos de víacuando el código Q_SSCODE programado abordo esel mismo, y que no envía señal alguna cuando es dis-tinto.

6.3 Dynamic Range of the Receiver. Verificar que la se-ñal demodulada transmitida por el equipo de abordoes correcta o sea satisface el límite de Bit Error Rate(BER-DR) para todos los códigos Q_SSCODE con laseñal de prueba TSOE2 (señal distorsionada) en losniveles de potencia mínimos y máximos transmiti-dos desde vía, se comprobará en condiciones nomi-nales y extremas del equipo de abordo.

6.4 Doppler Inmunity. Igual que el ensayo anterior 6.3pero primero con las señales de prueba TS0E3 y des-pués con las señales TS0E4. En este caso el objetivoes verificar que la señal demodulada a bordo satis-face el límite BER-DI.

6.5 Inter-modulation Immunity. Se inyecta en vía tresseñales de forma simultánea, se trata de verificarque el equipo de abordo demodula correctamente laseñal enviada desde el eurolazo en presencia de lasotras dos perturbadoras (telepowering y up-link dela baliza) en este caso la condición a satisfacer es el



FIGURA 7. Herramienta ERT, cableEurolazo, antena a 15°.

FIGURA 8. Medidas de la intensidad de campo emitido por el cable eurolazo en toda su longitud.

Magnitude of z-Component of Magnetic Field Strength

Type M. Section: 90%

Type S Section: 98%

67 dBμA/m

32 dBμA/m

within indicated range atappoval of installation

Distance

Length of Loop section (100%)


BER-IMI, se comprueba para todos los códigosQ_SSCODE en condiciones mínimas y máximas depotencia exigidas a la señal de eurolazo.

6.6 Co-Channel Rejection for Narrowband Signal. Se in-yecta en vía 2 señales de forma simultánea, se tratade verificar que el equipo de abordo demodula co-rrectamente la señal enviada desde el eurolazo

TSOE2 en presencia de otra perturbadora (TSOE6otra señal de misma frecuencia) en este caso la con-dición a satisfacer es el BER-CRNB, se compruebapara todos los códigos en condición mínima de po-tencia de la señal perturbadora y mínima de poten-cia de la señal de eurolazo, se repetirá el ensayo encondiciones de potencia incrementadas en 12 dB.



FIGURA 9. Medida del flujo deactivación de la antena.

FIGURA 10. Ejemplo de cálculosde Bit Error Rate.

360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560

120 130 140 150 160 170 180 190

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

50

–5–10

20

–2–4

Bits Perdidos =0

Bits Erroneos =0

0 %

0 %

x 104

1

0.5

0

secuencias identificadas = 6833 erroneas =1


6.7 Co-Channel Rejection of Other Euroloop Signal. Seinyecta en vía dos señales de forma simultanea, setrata de verificar que el equipo de abordo demodulacorrectamente la señal enviada desde el eurolazo(TSOE2) en presencia de otra perturbadora (otra se-ñal de eurolazo TSOE7) en este caso la condición asatisfacer es el BER-CRWB, se comprueba para to-dos los códigos indicados en las especificaciones enambas señales de eurolazo en condiciones de mí-nima potencia de dichas señales, se repetirá el en-sayo en condiciones de potencia máxima.

6.8 Blocking. Se inyecta en vía dos señales de forma si-multanea, se trata de verificar que el equipo deabordo demodula correctamente la señal enviadadesde el eurolazo (TSOE2) en presencia de otra per-turbadora (en el rango de frecuencias de 27 a 30Mhz). En este caso la condición a satisfacer es elBER-Blocking, se comprueba para todos los códigosde la señal de eurolazo en condiciones de mínima po-tencia y máxima potencia de dicha señal. El ensayose ejecuta con cuatro señales perturbadoras de dife-rentes frecuencias (27-28-29-30Mhz).

6.9 Dynamic Receiver Perfomance. Verificar que la se-ñal demodulada transmitida por el equipo de abordoes correcta y satisface el BER-DRP en los niveles de

potencia mínimos y máximos transmitidos desde víaseñal de prueba TSOE9, se comprobará en condicio-nes nominales del equipo de abordo.

6.10 Multi path Dynamic Performance. Verificar que laseñal demodulada transmitida por el equipo deabordo es correcta y satisface el BER-DRP en los ni-veles de potencia mínimos y máximos transmitidosdesde vía en la señal de prueba TSOE10, se compro-bará en condiciones nominales del equipo de abordo.

6.11 Tolerable Centre Frequency combined with MTIEError. Verificar que la señal demodulada transmi-tida por el equipo de abordo es correcta y satisface elBER-TCFE en los niveles de potencia mínimos ymáximos transmitidos desde vía, se comprobará encondiciones nominales y de TEMPERATURA ex-trema del equipo de abordo. Se repetirá con dos tiposseñales de prueba (TSOE11 y TSOE12).

6.12 Tolerable Chip Rate Error. Verificar que la señal de-modulada transmitida por el equipo de abordo es co-rrecta y satisface el BER-TCRE en los niveles de po-tencia mínimos y máximos transmitidos desde vía,se comprobará en condiciones nominales del equipode abordo. Se repetirá con dos tipos señales deprueba (TSOE13 y TSOE14).

6.13 Tolerable MTIE of the Chip Rate. Verificar que la se-ñal demodulada transmitida por el equipo de abordoes correcta y satisface el BER-TCRE en los nivelesde potencia mínimos y máximos transmitidos desdevía, se comprobará en condiciones nominales delequipo de abordo, señal TSOE15.

6.14 Fundamental Function of the Loop Receiver. Verifi-car la funcionalidad fundamental del LTM a travésde la interface V1L. Se verifica en primer lugar quese demodula correctamente la señal TSOE16 que co-rresponde a un telegrama corto de eurolazo, codifi-cado de longitud 341 bits y además que el LTM co-mienza a transmitir en menos de 250ms desde quese empieza a transmitir la señal de up-link que sedebe ajustar a la mínima potencia límite con la he-rramienta ERT y cable eurolazo. Se verifica ademásque se aceptan los datos correctos y se rechazanotros telegramas TSOE17.

La campaña de ejecución de todos los ensayos de eurolazodefinidos en la normativa europea ha sido fundamental no



FIGURA 11. Calibración antena ERT-ILA usada para altas potencias de emisión.

FIGURA 12. Esquema de conexiones y registro para la medida del retardo entre señal de up-link de Eurolazo y señal de datos en el ensayo 6.14.

Antena

MóduloLTM

NI cardComputerNI-SCOPE

Sonda

ERT-ILA

6 dB 10 dB

DataClock

Trigger

Filtro paso banda+amp. low noise

Filtro paso banda+amp. low noise

TSOE16_00Rack PXI

KalmusAmp


solo para el proyecto de investigación, que ha permitido cono-cer el estado de los prototipos en diferentes fases de desarro-llo, sino para el propio Laboratorio que se ha equipado y pre-parado para la ejecución de estos ensayo, al tiempo que se hatransmitido a la Agencia Europea las imperfecciones encon-tradas en la normativa.

6. ENSAYOS DE INTEROPERABILIDAD DISEÑADOS PARAEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN NACIONAL

En este tipo de ensayos se utilizan dos equipos de eurolazouno de vía y otro embarcado que normalmente habrán sidofabricados por compañías distintas. Se diseñan tres tipos deensayos de interoperabilidad a realizar en:

• Laboratorio, es el primer paso en el que se trata de si-mular en laboratorio las condiciones de operación envía.

• Vía sin tren, en condiciones de equipo instalado en víacon un equipo embarcado de pruebas sin tren. Se uti-liza un carrito que transporta la antena y el moduloLTMS del equipo embarcado, grupo generador y ups dealimentación. El objetivo es detectar con precisión ladistancia longitudinal en las condiciones extremas dealtura-desplazamiento lateral a la cual se comunican -dejan de comunicarse ambos equipos.

• Vía con tren, en condiciones reales de equipo insta-lado en vía y equipo embarcado instalado en un tren.



FIGURA 13. Ensayos interoperabilidaden Laboratorio.

FIGURA 14. Ensayos interoperabilidad envía sin tren.


En este caso se debe verificar el funcionamiento de am-bos equipos en condiciones reales de operación, a dife-rentes velocidades, a tren parado y en arrancada trac-cionando al máximo, etc..

6.1. ENSAYOS DE INTEROPERABILIDAD EN LABORATORIOComo se ha visto anteriormente un telegrama de eurolazo en-viado por el LEU llega al equipo LOOMO de eurolazo de vía,la detección de señal de activación procedente de la antena deun tren que entra en el radio de acción del cable eurolazo ge-nera la transmisión de la señal de up-link por medio del pro-pio cable eurolazo. La captación de una señal de up-link deeurolazo por la antena del tren con el código correcto generala decodificación y generación del telegrama recibido por elequipo LTM para su envío al ordenador de abordo.

El ensayo de interoperabilidad debe contemplar la verifi-cación de la correcta cadena de transmisión del mensajedesde el LEU hasta la recepción de abordo en todas las condi-ciones previstas de operación.

El criterio de diseño de un experimento de interoperabili-dad en Laboratorio debe contemplar las posibles condicionesde instalación y operación reales de ambos equipos, así comola capacidad de simulación en Laboratorio. Por una parte setrata de validar la operación entre ambos equipos en condicio-nes nominales así como obtener sus márgenes de funciona-miento. Las interfaces de conexión de los equipos con el Labo-ratorio en la ejecución del ensayo son:

• Señal de LEU: Interface CL1.• User bits……: Interface VL

6.2. ENSAYOS DE INTEROPERABILIDAD EN VÍA SIN TRENHay que indicar que todos estos ensayos fueron realizados

en turno de noche ya que la línea está ocupada de día por cir-culaciones comerciales, en esta fase se trabaja con equipos re-ales y sobre un cable eurolazo instalado en vía.

Esta fase de la experimentación si bien laboriosa resultoser fundamental en la integración de ambos sistemas.



FIGURA 15. Registro de la señal de up-link de eurolazo para la medida de la intensidad de campo.

FIGURA 16. Instalación de pruebas del sistema eurolazo en estación Tres Cantos.

Grupo balizas EOLMLazo 2 Señal S1/2Situadas en PK 14.802

Grupo balizas In-Fill 7221Se taparán y se instaránotras en las traviesassiguientesSituadas en PK 15.402

Cable conexión LOOMO-LEU.El LEU está situado en eledificio técnico que hay en laestación

LEU

LEU

CABINA

LOOMO 2

LOOMO 3TRES CANTOS


6.3. ENSAYOS DE INTEROPERABILIDAD EN VÍA CON TRENLa integración de los sistemas y la interoperabilidad entreambos hay que demostrarla en una situación real, esta fasecorresponde a la última fase del proyecto. La prueba se rea-liza con el equipo embarcado conectado a la Eurocabina deuna locomotora S252 de RENFE, y con diferentes configura-ciones de instalación del cable de eurolazo en la dependenciade Tres Cantos de la red de Cercanías de ADIF. Esta pruebase completa con el diseño y ejecución de diferentes escenariosoperacionales.

La interoperabilidad de ambos sistemas en las diferentessituaciones quedó demostrada al recibirse abordo los mensa-jes enviados por la vía utilizando como medio de transmisiónel cable eurolazo.

7. CONCLUSIONES• El eurolazo es un sistema de transmisión semi-continuo

entre la vía y el tren en longitudes de tramos de vía dehasta 1 km. Está pensado principalmente para trans-mitir información infill en líneas ERTMS de Nivel 1.

• Para que el equipo eurolazo de vía o equipo eurolazoembarcado sean interoperables deben cumplir las espe-cificaciones incluidas en las ETI, que incluyen especifi-cación de requisitos (Subset-044, FFFIS for Euroloop) yespecificaciones de ensayo (Subset-103, Test Specifica-tion for Euroloop).

• Todos los ensayos de Eurolazo definidos en el Subset-103 se realizan en el Laboratorio de Eurobaliza del LIF,que es laboratorio de referencia para dichos ensayos.

• Los prototipos desarrollados dentro del proyecto de in-vestigación nacional han demostrado su funcionalidad fí-sica y la capacidad operacional del sistema eurolazo enlíneas ERTMS de N1. La potencialidad en la operaciónque da el eurolazo en un sistema de señalización ERTMSN1 es evidente al no estar ligado el movimiento del trenal paso por el grupo de balizas de pie de señal.

8. REFERENCIASReferencias Europeas

• Directiva Europea 96/48/CE.• UNISIG Subset-044: FFFIS for Euroloop. • UNISIG SUBSET-103:Test Specification for Euroloop.• UNISIG SUBSET-023; Glossary of UNISIG Terms and

Abbreviations.• UNISIG SUBSET-026; System Requirement Specification.

Especificaciones de ensayos del LIF• “Ensayos de Eurolazo Laboratorio CEDEX”, (Ensayos

de eurolazo_cedex_v1). • “Proyecto Eurolazo, ensayos interoperabilidad equipo

via-embarcado, (Eurolazo_Interoperabilidad_cedex_v1).



FIGURA 17. Locomotora de pruebassobre vía con eurolazo.


BASF Construction Chemicals España, S.L.

Carretera del Mig, 219 • 08907 L’Hospitalet de Llobregat (Barcelona)

Tel.: 93 261 61 00 • Fax: 93 261 62 19

[email protected] • www.basf-cc.es

X-SEED® es una tecnología única en el mercado que a través de la incorporación de núcleos de cristalización de CSH permite activar la reacción de hidratación y la formación de hidratos desarrollando la resistencia mecánica del hormigón.

La gran innovación de X-SEED® 150 es el espectacular desarrollo de las resistencias iniciales del hormigón incluso con temperaturas muy bajas y cementos con bajo contenido en clinker o cementos lentos, mejorando las resistencias finales. A su vez la tecnología del X-SEED® 150 aporta una mayor impermeabilidad y durabilidad al hormigón y permite optimizar el rechazo y la dosificación de acelerante de fraguado cuando se emplea para la elaboración del hormigón proyectado.

Con la tecnología X-SEED®150 podemos lograr flexibiliza y aumentar el proceso de puesta en obra del hormigón y del hormigón proyectado, hacerlo más rentable, mejorar su calidad e incrementar la eficiencia energética ahorrando tiempo y dinero además de reducir las emisiones de CO2 contribuyendo así a una construcción más eficiente y sostenible.

X-SEED® es una tecnología única en el mercado que a través de la incorporación de núcleos de cristalización de CSH permite activar la reacción de hidratación y la formación de hidratos desarrollando la resistencia mecánica del hormigón.

La gran innovación de X-SEED® 150 es el espectacular desarrollo de las resistencias iniciales del hormigón incluso con temperaturas muy bajas y cementos con bajo contenido en clinker o cementos lentos, mejorando las resistencias finales. A su vez la tecnología del X-SEED® 150 aporta una mayor impermeabilidad y durabilidad al hormigón y permite optimizar el rechazo y la dosificación de acelerante de fraguado cuando se emplea para la elaboración del hormigón proyectado.

Con la tecnología X-SEED®150 podemos lograr flexibiliza y aumentar el proceso de puesta en obra del hormigón y del hormigón proyectado, hacerlo más rentable, mejorar su calidad e incrementar la eficiencia energética ahorrando tiempo y dinero además de reducir las emisiones de CO2 contribuyendo así a una construcción más eficiente y sostenible.

X-SEED© 150 Tecnología exclusiva de BASF para la obra subterráneaX-SEED© 150 Tecnología exclusiva de BASF para la obra subterráneaNuestra última contribución para una construcción eficaz y sostenibleNuestra última contribución para una construcción eficaz y sostenible

ANUNCI X-SEED-BASF-ingenieria-Civil.indd 1 18/04/2012 8:33:15

1. INTRODUCCIÓNEl sistema de transmisión de Eurobaliza se compone de unaparte de tierra y de un equipo embarcado. El subsistema deEurobaliza de tierra corresponde a las Eurobalizas que se ins-

talan en la vía mientras que la parte de a bordo está consti-tuida por la antena embarcada junto con la funcionalidad detrasmisión y localización de balizas, conjunto al que denomi-naremos en este artículo como Antena-BTM.

El equipo embarcado Antena-BTM delsubsistema de transmisión por eurobaliza enel sistema de señalización europeo ERTMS.

Ensayos de laboratorio en el CEDEX

ALFREDO ARROYO PUENTE (*), PEDRO ANTONIO AGUDO MADURGA (**), MARTA ESTEBAN CARRILLO (***),SUSANA HERRANZ DE ANDRÉS (****), JOSÉ BUENO PÉREZ (*****) y JAIME TAMARIT RODRÍGUEZ(******)

THE ANTENA-BTM ON-BOARD OF EUROBALISE TRANSMISSION SYSTEM IN THE EUROPEANSIGNALLING SYSTEM ERTMS. LABORATORY TESTS AT CEDEXABSTRACT The aim of this article is to offer an essential overview of the on-board equipment of the Eurobalise subsystem.This ERTMS constituent receives the telegrams from the Eurobalise installed on the track. The on-board equipment isknown as antenna-BTM, and it consists of an antenna and a Balise Transmission Module Function which receives thesignals from the Eurobalises and decodes them, to deliver the final telegrams to the EVC.Also a brief review of the set of tests that are defined in the European normative is included in this paper. The purpose of thesetests is to verify that the Antenna-BTM fulfils the specifications and therefore it is interoperable with any conform Eurobalise.

RESUMEN Este artículo pretende ofrecer unas nociones básicas acerca del equipo embarcado perteneciente al subsistema deEurobaliza. Este equipo recibe información de las Eurobalizas instaladas en la vía encargadas de la transmisión puntual deinformación entre la vía y el tren en el sistema de señalización ERTMS. Se denomina Antena-BTM, y se compone de una ante-na instalada bajo la cabina del tren para la recepción de señales de Eurobaliza, y de una funcionalidad para el procesamientode las señales recibidas así como para la decodificación y entrega de los mensajes de Eurobaliza a la Eurocabina. También se hace una revisión del conjunto de ensayos definidos para verificar que un equipo Antena-BTM satisface la nor-mativa Europea y es por tanto interoperable con cualquier Eurobaliza ERTMS.

19

Palabras clave: Antena, BTM, Eurobaliza, Sistema europeo de señalización ferroviaria ERTMS,Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad.

Keywords: Antenna, BTM, Eurobalise, European Signalling System, ERTMS,Technical Specification for Interoperability.

(*) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Dr. Ciencias Químicas. E-mail: [email protected](**) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Dr. Ciencias Físicas. E-mail: [email protected](***) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Licenciada en Ciencias Físicas. E-mail: [email protected](****) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Ingeniera de Telecomunicaciones. E-mail: [email protected](*****) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Dr. Ingeniero Naval. E-mail: [email protected](******) Director del Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Dr. Ciencias Físicas. E-mail: [email protected]


12EQUIPOEMBARCADO 20/4/12 14:36 Página 19

En las especificaciones europeas de Interoperabilidad(ETI), se define la interoperabilidad técnica, que aplica a losdenominados constituyentes del sistema ERTMS de tal formaque tanto la Eurobaliza instalada en la vía como el equipoembarcado son constituyentes del sistema que deben ser inte-roperables en lo que concierne a la funcionalidad de localiza-ción y transmisión de balizas.

Para evaluar los constituyentes, se definen los requisitosque deben cumplir Eurobaliza y Antena-BTM en la norma-tiva europea mediante dos documentos: las especificacionesdel componente Eurobaliza (equipo de vía) y de la Antena-BTM (embarcado en el tren), y las especificaciones de ensayopara dichos equipos. Ambas especificaciones han sido escritaspor UNISIG (consorcio que agrupa a las principales compa-ñías de señalización ferroviaria):

• UNISIG SUBSET-036. FFFIS for Eurobalise.

• UNISIG SUBSET-085. Test Specification for Euro-balise FFFIS.

Ambos documentos son de obligatorio cumplimiento, loque significa que ambos constituyentes (Eurobaliza y Antena-BTM) deben ser conformes con estas especificaciones para ga-

rantizar que son interoperables, para lo cual deben pasar losensayos en un laboratorio para obtener la certificación.

Este artículo se centra en el equipo embarcado Antena-BTM, teniendo en cuenta que la verificación de la funcionali-dad de dicho equipo está profundamente ligada a la especifi-cación de la Eurobaliza, ya que el equipo embarcado debe sercapaz de detectar cualquier Eurobaliza que sea interoperable,incluso si las características de dicha baliza están en los lími-tes de lo especificado.

2. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO EMBARCADO ANTENA-BTM2.1. FUNCIONAMIENTOLa Antena-BTM forma parte del sistema de transmisión pun-tual de información entre la vía y el tren, en el que la infor-mación se transmite sólo cuando la antena del equipo embar-cado pasa sobre la baliza. El funcionamiento del conjuntoEurobaliza y Antena-BTM se basa en el acoplamiento magné-tico entre ambos equipos. La antena del tren emite una señalde tele-activación de frecuencia 27,095 MHz (Señal de Telepo-wering) y cuando la antena pasa sobre una baliza esta señalde tele-activación energiza la baliza, que comienza entonces a

EL EQUIPO EMBARCADO ANTENA-BTM DEL SUBSISTEMA DE TRANSMISIÓN POR EUROBALIZA EN EL SISTEMA DE SEÑALIZACIÓN EUROPEO ERTMS...


FIGURA 1. Eurobaliza instalada en la vía. FIGURA 2. Antena instalada en el tren.

FIGURA 3. Esquema de lasseñales de Eurobaliza.

ANTENA DEL TREN

EUROBALISE

BTM

UP-LINK SIGNAL(telegrama)

TELEPOWERING SIGNAL(telegrama)


emitir una señal de 4,23 MHz (Señal de Up-link) que contieneel telegrama con la información necesaria para el tren.

El módulo de transmisión de baliza (BTM) embarcado re-cibe el telegrama enviado por la baliza, lo decodifica y pasa lainformación al ordenador de a bordo, junto con la informaciónde la localización física de la baliza. El telegrama se emitecontinuamente durante el tiempo (milisegundos) que la an-tena pasa por encima de la baliza. La baliza se desactiva ydeja de emitir el telegrama una vez que la antena se aleja deella. Es este complejo mecanismo el que se tratará de explicary mostrar en este artículo a través de los distintos ensayosque se realizan sobre el equipo embarcado Antena-BTM.

2.2. INTERFACESEn las especificaciones de baliza “FFFIS for Eurobalise”, Sub-set-036, están definidas las interfaces del subsistema de Eu-robaliza. La Figura 4 ilustra estas interfaces.

En cuanto a las interfaces externas, el equipo de transmi-sión embarcado Antena-BTM se comunica con lo que se deno-mina ERTMS/ETCS Kernel (ordenador de a bordo o EVC).Por su parte la Eurobaliza se comunica con el LEU, del querecibe los telegramas vía interfaz C que transmitirá al acti-varse. Asimismo el LEU se comunicará con el Enclavamiento,que le indicará que telegrama debe enviar a la baliza.

En lo que concierne al equipo Antena-BTM, las interfacesimportantes para la evaluación de su funcionamiento son elInterfaz A (air-gap, interfaz a través del aire) y en lo que res-pecta a los ensayos en laboratorio, las interfaces de prueba.

El interfaz A es un interfaz de interoperabilidad triple ‘F’(FFFIS) lo que significa que esta definido a nivel funcional, fí-

sico y de forma. Comprende la comunicación a través del air-gap entre baliza y antena. Los requisitos de este interfaz sehan definido con todo detalle para que sean la base que ga-rantice la interoperabilidad entre Eurobalizas y equipos em-barcados siempre que ambos cumplan las especificaciones.

El equipo embarcado transmite la señal de tele-poweringpara activar las balizas a través del interfaz A, y recibe a tra-vés del mismo la señal de up-link de las Eurobalizas.

En cuanto a las interfaces de prueba, son necesarias paraevaluar durante los ensayos en laboratorio la información queel equipo embarcado antena-BTM está enviando al EVC. Seutilizan principalmente dos:

• Interfaz ‘V1’. Este interfaz se utiliza para enviar coman-dos al BTM, así como para recibir la información delmismo relativa a su estado y a la recepción de balizas.

• Interfaz ‘V2’. Se utiliza para transmitirle al BTM infor-mación de odometría durante los ensayos en laborato-rio, de tal forma que se simule que el equipo está abordo de un tren en movimiento.

2.3. LA SEÑAL DE TELE-POWERING. EL MODO TOGGLINGComo ya se ha comentado, el equipo embarcado ERTMS ge-nera la señal de tele-powering necesaria para activar la ba-liza. El ordenador de a bordo puede ordenar que la antenaemita en dos modos:

• CW (Continuous Wave) señal sinusoidal pura de 27.095MHz.

• Toggling (opcional) utilizado para conseguir interopera-bilidad con sistemas KER (KVB, Ebicab, RSDD) ya



FIGURA 4. Interfaces delsubsistema de Eurobaliza.

ERTMS/ETCSOn-boardConstituent

ERTMS/ETCSKernel

InterfaceAdapter

TestInterfacesBTM function

Antenna Unit

On-boardTransmissionEquipment

EurobaliseTransmission

System

WaysideSignallingEquipment

To Wayside Signalingor Interlocking

BaliseFixed

BaliseControlled

“A” “A”

“C”

LEU

“S”


existentes. La señal de 27 MHz es modulada en ampli-tud con una señal de 50 kHz con pulsos bien definidos:profundidad de modulación 85-100% y anchos de pulsosdesiguales (toggling).

El modo normal de emisión para ERTMS es una señal CW.El motivo de que se haya definido la señal de toggling como vá-lida para activar Eurobalizas es permitir la compatibilidad delas balizas ERTMS con anteriores sistemas de transmisiónATP/ATC que utilizan frecuencias y características de transmi-sión similares, como son los llamados KER (KVB, Ebicab yRSDD). En estos sistemas el equipo embarcado emite una señalnon-toggling, que es una señal de 27 MHz modulada en ampli-tud con una señal de 50 kHz con anchos de pulsos iguales.

2.4. LA SEÑAL DE UP-LINKUna vez energizada la baliza con un nivel suficiente de campomagnético de telepowering emitido por la antena a bordo deltren, la baliza se despierta y emite la señal de Up-link. Esta se-ñal corresponde a un campo magnético emitido por la espira dela baliza y contiene el telegrama codificado en la propia forma deonda. El campo de Up-link es captado por la espira de la antenaa bordo, y de esta forma el telegrama es recibido por la cabina.



FIGURA 5. Espectro de señales de telepowering. A. Espectro señal CW. B. Espectro señal toggling.

FIGURA 6. Capturas en el osciloscopio de señales de telepowering. A. Señal de telepowering toggling (pulsos desiguales). B. Señal de telepowering non-toggling (pulsos iguales).

a) b)

a) b)

FIGURA 7. Espectro de la señal de Up-link.

TRACE A: Ch1 SpectrumA Marker

0dBM

10dB

/div

LogMag

–100dBM

4 830 000 Hz

Center: 4.23 MHz Span: 1.5 MHz

–37.571 dBM


La transmisión de los datos se hace con la propia señal deUp-link, que es una señal FSK (Frequency Shift Keying, co-dificación en frecuencia), en la que el bit de información co-rrespondiente a un “0” lógico corresponde a 7 periodos apro-ximados de una señal de 3.951 MHz y el bit “1” lógico a 8periodos de 4.516 MHz.

3. ENSAYOS EN EL LABORATORIO DEL CEDEX.ESPECIFICACIÓN DE ENSAYOS

Como ya se ha indicado anteriormente, el documento de lanormativa europea que define los ensayos a realizar sobre losconstituyentes Eurobaliza y Antena-BTM para verificar sison conformes es el Subset-085 “Test specifications for Euro-balise FFFIS”, escrito por UNISIG (consorcio de empresas deseñalización) y aprobado por la Comisión Europea.

En el Subset-085 se comprueban los requisitos impuestospor el Subset-036 y se describen los procedimientos de ensayo.También se recomiendan las herramientas y equipos para lle-varlos a cabo.

Los constituyentes del subsistema de Eurobaliza de tierra yembarcado son independientes, y el objetivo es que Eurobalizasde un fabricante sean interoperables con Antenas y BTMs de fa-bricantes diferentes. Por ello, se ensayan de manera separada,comparándolos con herramientas de referencia. De esta forma,las Eurobalizas se ensayan utilizando antenas de referencia ylos equipos embarcados se ensayan con lazos de referencia, am-bos equipos de referencia definidos en la normativa Subset-085.

Los ensayos de Antena-BTM más representativos abarcanlas siguientes funcionalidades:

• Verificación de las características de la señal de telepo-wering.

• Verificación de la capacidad del equipo embarcado paragestionar señales de baliza con características en sus

valores extremos (por ejemplo, señales de baliza con lamáxima desviación de frecuencia permitida).

• Caracterización de los patrones de radiación de telepo-wering y up-link de la antena.

• Comprobación de la correcta detección y localización delas balizas, así como de la transmisión fiable de datoscon simulaciones de patrones de radiación dinámicos.

• Verificación de la capacidad de manejar distintos tiposde telegramas, incluso telegramas con errores.

• Verificación de la capacidad de gestionar secuencias debalizas, por medio de la simulación del paso de gruposde balizas.

• Evaluación de la protección frente al cross-talk, así dela inmunidad frente al cross-talk producido por cablescercanos, incluido el cable LZB.

En muchos de los casos anteriores, se aplican adicional-mente condiciones de Debris, y de presencia de objetos metáli-cos para evaluar su influencia.

A continuación se resumirán los distintos tipos de ensayosdescritos en el Subset-085. Para facilitar la comprensión seagrupan los ensayos por bloques.

3.1. ARQUITECTURA DEL BANCO DE ENSAYOSEl banco de pruebas del laboratorio para ensayos de Antena-BTM está basado en primer lugar en un conjunto de equiposcomerciales de medida de señales de Radiofrecuencia que sonel núcleo del laboratorio, como Analizadores de Espectro, ge-neradores de señal, medidores de potencia, osciloscopios, am-plificadores y en general instrumentación de RF.

En segundo lugar, el laboratorio dispone de unos dispositi-vos de referencia que son la base de todos los ensayos, los La-zos de Referencia (Reference Loops) que son dispositivos pa-



FIGURA 8. Ensayos aplicando condición de Debris de Clear Water. FIGURA 9. Ensayo con placa metálica bajo el Reference Loop.


trón, especificados en el Subset-085, que se utilizan para si-mular balizas reales al realizar los ensayos de antena-BTM .

Por último, el laboratorio tiene un conjunto de herramientaspropias, necesarias tanto para la realización de los ensayos demanera automática y como para el control de los mismos. Acontinuación se incluye la lista de las principales herramientasque se utilizan para los ensayos de Antena-BTM:

En las Figuras 10 y 11 se incluye la arquitectura del labo-ratorio de Eurobaliza y Antena-BTM.

Como se ha comentado anteriormente, para la realizaciónde los ensayos es imprescindible la existencia de unas interfa-ces de prueba que permitan controlar el funcionamiento delBTM y la antena, simular que el BTM se encuentra en un en-torno de funcionamiento a bordo de un tren, y recoger los datosque el BTM enviaría al EVC en cada caso. Estas interfaces son:

• Interfaz V1: a través de esta interfaz se accede a losdatos reportados por el BTM, y se controla su funcio-namiento.

• Interfaz V2: se utiliza para enviar periódicamente alBTM información de odometría, de forma que se simulaque está embarcado en un tren real en movimiento.

También se dispone de los elementos necesarios para eje-cutar ensayos en diferentes condiciones de Debris (agua,polvo de hierro), condiciones ambientales (cámara climática),y en presencia de objetos metálicos.

4. ENSAYOS DEL EQUIPO EMBARCADO ANTENA-BTM Los requisitos impuestos a la Eurobaliza determinan las exi-gencias al equipo embarcado antena-BTM. Por este motivo esnecesario ensayar la antena-BTM teniendo en cuenta los dife-rentes tipos de baliza que se pueda encontrar, por lo que seutilizará un lazo de referencia para simular el comporta-miento de las balizas más débiles y más fuertes (balizas conla respuesta a la activación de la antena en los límite permiti-dos), simulando además velocidades de hasta 500Km/h.



HERRAMIENTAS PARA ENSAYOS DE EUROBALIZA Y BTM

Herramienta Descripción

LTMS Laboratory Test Management System (Sistema Gestor de Ensayos): Se utiliza para los ensayos de Antena-BTM, para gestionar la eje-cución del ensayo. Es capaz de controlar el resto de herramientas del laboratorio.

LTOM Laboratory Test Odometer Module (Módulo de Odometría): se utiliza en los ensayos de BTM para similar el movimiento de la antena(información de odometría del tren).

APT Automatic Positioning Tool (Herramienta de Posicionamiento Automático): se utiliza para posicionar la antena respecto al lazo de re-ferencia con precision de milímetros.

RSG

Reference Signal Generator (Generador de Señales de Referencia): con esta herramienta se pueden generar todas las señales que seutilizan en el laboratorio. Tiene una parte HW que son los propios equipos generadores de señal y una parte SW de generación deficheros de forma de onda y de control de los equipos generadores. Con esta herramienta generan las señales de Up-link (FSK) quesimulan la señal de baliza para los ensayos de BTM.

LRRT Laboratory Reference Receiver Tool (Herramienta Receptor de Referencia): Se utiliza para analizar las características de la señal deUp-link emitida por la baliza. En los ensayos de Antena-BTM se utiliza para verificar las señales generadas por el RSG.

TABLA 1.

FIGURA 10. Arquitecturadel laboratorio deEurobaliza y BTM.

RSG LRRT APT LTMS LTOM

ReferenceAntennas

ANTENNABTM

ReferenceLoops

BALISE

TELEPOWERING(27 Mhz)

TELE-POWERING(27 Mhz)

UP LINK(4.23 Mhz)

UP LINK(4.23 Mhz)

Up link FSK4.2 MHz

Up link FSK

V1 V2Telepowering27MHz

Interface CSignals

Oscilloscope

NetworkAnalyser

PowerMeters

VectorAnalyser




FIGURA 11. Arquitectura específicapara ensayos de Antena-BTM.

FIGURA 12. Montaje generalpara los ensayos de antena-BTM.

LTOM DSP

LTOM softwareLTMS software

V2 V1

Interface Adapter

BTM

APT robot

APT controlComputer

Power Meter

HP Vector

AWG 2005

Kalmus

Telepowering and up-link signals

RS232 serial link

GPIB connection

RS485 standard

AWG 520

34.

Interface Interface

Interface

APT

BTMfunction

Antena UnitInterface “V1”

Adapter

Interface “V2”Adapter

Vector SignalAnalyser

RFAmplifierRSG_1

IEEE 488 bus

RS 232

Laboratory TestManagement

System

Referenca Loop

Attenuator

RF Switch

Attenuator

Attenuator

MarkerL TOM

C C.S.

P2 P1

Attenuator Trigger

Current Sense Balun

Low Pass Filter

Low Pass Filter

PowerMotor 2

Low Pass Filter

38.

36.

40.

45.10.

4.

2.13.

31.

3.

39.

29.

7.

14.

12.

12.

41.


También se simularan casos extremos en las característi-cas de la señal de up-link que puede emitir una baliza, paracomprobar que aún así el BTM es capaz de decodificarlas.

A continuación se describen los ensayos que sería necesa-rio llevar a cabo sobre una antena-BTM para obtener la certi-ficación europea de este componente por parte de un orga-nismo notificado.

El esquema general para los ensayos se muestra en la Fi-gura 12.

4.1. CARACTERIZACIÓN DE LOS PATRONES DE RADIACIÓNDE LA ANTENA Y CREACIÓN DEL PATRÓN DERADIACIÓN PARA ENSAYOS DINÁMICOS

El objetivo de este grupo de ensayos es crear unos patrones deradiación para simular el paso de la antena sobre la balizacon la señal más débil posible, con objeto de evaluar que la de-tecta y decodifica su telegrama correctamente, así como la si-mulación de la baliza con la señal más fuerte posible paraevaluar el comportamiento de la antena-BTM ante la presen-cia de lóbulos laterales en el campo radiado.

Para la creación de los patrones de radiación se mediránpor separado el patrón de telepowering, y el de up-link.

4.1.1. Obtención del patrón de radiación de TelepoweringEl objetivo de este ensayo es determinar el flujo recibido porla baliza cuando la antena pasa sobre ella. Se trata pues deobtener la función que relaciona el flujo recibido por la balizacon la posición de la antena del tren en su recorrido a lo largodel eje X. Esta medida se realiza a distintas alturas y despla-zamientos laterales de la antena respecto a la baliza.

Se tiene en cuenta la posibilidad de encontrar distintos ta-maños de baliza estándar o reducido, por lo que se realiza el

ensayo con el reference loop standard y con el reducido, ésteúltimo tanto en posición transversal y longitudinal. El flujorecibido en el reference loop se calcula a partir de la medidade potencia de la señal de telepowering inducida en éste.

Se realiza este ensayo en diferentes condiciones (Agua, mi-neral de hierro, objetos metálicos, hielo, simulando desviacio-nes angulares en la antena…).

4.1.2. Obtención del patrón de radiación de Up-LinkEn este caso, se quiere obtener el nivel mínimo de la señal deup-link emitido por la baliza a partir del cual la antena-BTMes capaz de detectar la señal y decodificar un telegrama va-lido en su recorrido por encima de la baliza.

Se trata pues de obtener la función que relaciona el um-bral de detección de la antena en su recorrido a lo largo deleje X. La medida se obtiene para distintas alturas y desplaza-mientos laterales de la antena respecto a la baliza.

Para tener en cuenta el tipo de baliza estándar o reducido,se utiliza el reference loop standard o reducido.

Para cada posición de la antena en el eje X se simula unpaso de baliza a una velocidad de 100 Km/h, inyectando en elreference loop una señal de up-link modulada con una señaltrapezoidal. La corriente inyectada en el reference loop se vaincrementado hasta que el BTM detecta el telegrama, y secomprueba que lo envía por la interfaz v1.

Para el correcto funcionamiento del BTM, éste debe detec-tar que se encuentra en un tren que está en movimiento, a100 Km/h. Para ello se utiliza la interfaz v2 y la herramientaLTOM (Laboratory Time and Odometer Module). En el LTOMse simula una velocidad de 100 km/h cuyos datos de distanciarecorrida, tiempo, velocidad real, etc... le llegan al BTM víainterfaz v2.



FIGURA 13. Ejemplo de resultado de patrón de telepowering.

Heigh: 450 (mm)

Eurobalise Laboratory TestsTele-powering Radiation Pattern in Contact and Side Lobe Zones

Radiation Pattern Lateral Displ. Ya (mm)

–1.300 –1.100 –900 –700 –500 –300 –100 100 300 500 700 900 1.100 1.300

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Xa (mm)

Flux

(nVs

)

–185

–50

50

–123

123

–158

158

–180

180

P hi d1


La señal trapezoidal de paso de baliza se genera teniendoen cuenta la velocidad de 100 km/h, en cuanto a la pendientey el tiempo de activación. El nivel de potencia de la señal in-yectada se controla regulando simultáneamente la amplitudde la señal trapezoidal y la ganancia del amplificador, hastaencontrar el nivel de detección mínimo para el BTM.

El nivel de la señal de up-link se relaciona con la corrienteinyectada en el reference loop. La medida de esta corriente sehace por medio del current sense balun, y al ser un procesodinámico se dispara la medida en un analizador vectorial pormedio de un trigger que indica el centro de la baliza. Calcu-lando el área bajo la curva del espectro de la señal de up-link



FIGURA 15. Ejemplo de resultado de patrón de up-link.

FIGURA 14. Ensayo de medida delpatrón de telepowering.

Heigh: 467 (mm)

Eurobalise Laboratory TestsUp-Link Radiation Pattern in Contact and Side Lobe Zones

AB 1.01

Radiation Pattern Lateral Displ. Ya (mm)

–1.000 –800 –600 –400 –200 0 200 400 600 800 1.000

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

Xa (mm)

Cur

rem

t (m

A)

–220

0

0

–185

0

–120

0

–50

0

P hi d1


se obtiene la potencia de esta señal expresada en dBm. Con lafunción de transferencia del current sense balun obtenida deun ensayo previo de calibración se calcula la corriente inyec-tada.

El criterio para determinar el umbral de detección por elBTM se puede elegir por cada compañía, ya sea indicando elnumero de telegramas buenos recibidos, o por tanto por cientode telegramas buenos recibidos.

En la Figura 16 se pueden ver fotografías de los ensayosde medidas de patrones de radiación.

4.2. ENSAYOS DE TRANSMISIÓNSe trata del ensayo principal para verificar el funcionamientodinámico de la antena-BTM, y es la base para muchos de losensayos que se explicarán a continuación. Es un ensayo muyinteresante, pues se realiza en estático, a la distancia máximaentre antena y reference loop, sin aplicar ningún tipo de De-bris, pero se están simulando en realidad todas las condicio-nes, además de velocidades de hasta 500 Km/h.

El objetivo del ensayo es determinar la respuesta delequipo embarcado cuando el tren pasa por la baliza más débilo más fuerte bajo diferentes velocidades y condiciones de en-sayo, es decir para los límites de funcionamiento de una ba-liza (weakest y strongest balise).

Posteriormente se evalúa la capacidad de la antena-BTMen cuanto a detección de pasos de balizas, fiabilidad de latransmisión de datos, gestión de los side lobes, y precisión enla localización de la baliza durante la ejecución de ensayos di-námicos simulados.

En primer lugar es necesario haber obtenido los patronesde radiación de up-link y telepowering, que están dando unaidea del nivel de emisión de la antena y de la sensibilidad enla recepción de señales de baliza. Ambos patrones se combi-nan por medio de un algoritmo y se extrae el patrón de radia-ción que se aplicará para que, realizando el ensayo en estáticoy en Free Air, se pueda simular el comportamiento dinámico ylas distintas condiciones de debris y de posiciones relativasentre la antena y reference loop.

La simulación en el Laboratorio transforma el ensayo di-námico en un ensayo estático: el equipo de abordo se fija enuna posición de referencia fija respecto al Reference Loop enfree air, y el proceso dinámico se simula inyectando en el refe-rence loop un patrón de señal de la corriente de up-link quesimula el paso del tren por una baliza a cierta velocidad y endeterminadas condiciones.

La baliza debe responder con una determinada potencia deseñal de emisión (up-link) ante un nivel de flujo de excitaciónrecibido (telepowering) en diferentes condiciones ambientales.Las características de Entrada/Salida de la Baliza deben es-tar en concordancia con la Figura 17: la respuesta de la Ba-liza debe estar dentro del área limitada por las zonas sombre-adas, es decir, debe estar por encima del límite inferior quefija el umbral mínimo de detección y por debajo del límite su-perior que fija el máximo para que no exista cross-talk. Se de-nomina ‘Baliza más débil’ (weakest balise) a una baliza cuyacaracterística de entrada/salida sigue la línea dada por el lí-mite inferior, por el contrario la ‘Baliza mas fuerte’ (Strongestbalise) sería una baliza exigiera la línea dada por el límite su-perior de la gráfica.

El patrón de señal inyectado tiene una forma de onda ge-nerada a partir de los patrones de radiación de telepowering,up-link y de la característica de Entrada/salida de la balizamás débil o mas fuerte para la condición de ensayo (nominal,debris, desviación lateral, tilt, etc. ), transformada y referen-ciada a la posición de referencia de la antena, la forma deonda de paso de baliza en el espacio se traduce a tiempo de-pendiendo de la velocidad de ensayo simulada.

Criterios de evaluación: En este ensayo se trata de com-probar que el BTM localiza correctamente la baliza y decodificael telegrama. Para ello se ha definido en el interfaz V1 una va-riable llamada BAL_PASS en la que el BTM reporta todos losdatos necesarios para evaluar su funcionamiento.

Las herramientas del laboratorio (LTMS) simulan pasosde baliza con telegramas conocidos, y cuyas coordenadas endistancia y en tiempo están determinadas con gran precisióny se almacenan en el LTOM. Posteriormente se compararán



FIGURA 16. Ensayos de medida delpatrón de radiación de up-link con

desviaciones angulares en la antena.


los datos que ha reportado el BTM a través del interfaz V1(BAL_PASS) con los datos que tiene almacenados el LTOM.

Como el BTM recibe por la interfaz V2 la información en-viada por el LTOM (posición, velocidad y tiempo, etc..) ,cuando detecta a través de la antena la señal de up-link, debeser capaz de localizar la baliza con la precisión exigida.

El ensayo de transmisión arranca disparando la genera-ción de la señal en el Reference Loop, y simultáneamente deun marker de centro de baliza hacia el LTOM. Cuando elBTM detecta contacto con la baliza simulada envía un in-forme de paso de baliza (Balise_passage) a través de V1 alLTMS. A su vez, cuando llega la señal de marker del centrode baliza, el LTOM también informa al LTMS de posición, ve-locidad y tiempo. De esta forma el LTMS es capaz de evaluarel error cometido en distancia y tiempo del centro de la baliza,comparando el centro reportado por el LTOM (centro real,instante en el que efectivamente se ha simulado el paso debaliza), con el centro reportado por el BTM a través del inter-faz V1. Además del error en la localización de la baliza, secomprueba si el BTM ha detectado suficiente número de tele-gramas correctos, y si ha enviado el report a tiempo. Se simu-lan 10 pasos de baliza consecutivos, para cada velocidad que

se quiera ensayar, hasta un máximo de 500Km/h, o hasta lavelocidad máxima que indique el fabricante.

Este procedimiento se repite con los distintos tamaños yposiciones de referente loop, para cada condición de ensayo(Debris, objetos metálicos, hielo, etc), calculando la forma deonda en distancia de la respuesta de la baliza más débil ymás fuerte a partir de los patrones de radiación de telepowe-ring y de up-link medidos en cada condición.

En resumen, los criterios de evaluación en el ensayo detransmisión por el LTMS son:

• Telegrama: se comprueba que el BTM reporta el tele-grama correcto decodificado.

• Número de telegramas válidos: que el número de te-legramas o bien el porcentaje de telegramas válidos re-cibidos sea suficiente.

• Localización (location error): se evalúa que el erroren la localización que haya cometido el BTM esté den-tro de los siguientes límites:

Lerror= 0.20 m de 0 a 40 km/h ó

Lerror= 1.1e-3*V + 0.15 de 40 a 500 Km/h.



FIGURA 17. Límites para las características de Entrada/Salida (gráfica lineal).

Baliza Reducida Baliza Standard

Iu1 37 mA 23 mA

Iu2 59 mA 37 mA

Iu3 186 mA 116 mA

Φd1 4.9 nVs 7.7 nVs



Φd4 130 nVs 200 nVs

Φd5 250 nVs 300 nVs

FIGURA 18. Obtención de los patrones de radiación.

Intesidad del campo deUp-link represantado por lacorriente en la espira Límite superior para

cross-talk

Ejemplo derespuesta de unaBaliza

Límite inferiorpara detección

Flujo Magnético de Tele powering

Iu3

Iu2

Φd1Φd2 Φd3 Φd4

Iu1

0

–1.500 –1.000 –500 0 500 1.000 1.500

700

600

500

400

300

200

100

0

Side Lobe and Contact Zone. x Axe(mm). Red: Current(mA). Blue: Flux(nVs)

Radiation Patterm. Reduced. Salt Water A. COMPANY

Dat

a: C

urre

nt a

nd F

lux

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

250

200

150

100

50

0

Side Lobe and Contact Zone. Time en sec.

Radiation Patterm. Strongest and Weakest balise. Reduced. Salt Water A. COMPANY

Cur

rent

in m

A




FIGURA 19. Ejemplo de resultado de ensayo de transmisión.

FIGURA 20. Ejemplo de resultadodel ensayo de características de la

señal de telepowering.

Test Results <|x|> Max Min Tolerance Range ResultReport Time error (ms) 28,47 29,9 26,2 –78,03 178,03 PassLocation Time error (ms): 1,6 2,8 –0,6 –12,96 12,96 PassLocation Distance error (mm): 17,2 7 –42 –215,97 215,97 PassNumber of good Telegrams 24,43 24,6 24,1 >= 1 PassUser Bits: 8000011E5800048C905C1AD2134AD48CD40B4F18DBD617151C8B905A910F4DCE1E9D129A4B141C88 PassN° of Reports Outside Contact: 0 0 0 = 0 PassSimulated Speed (km/h): 60 N° of Balise Passages: 10 Curr. Range (mA) 24,18 to 24,02

Eurobalise Laboratory TestsTransmission Test

AB 3.01

Radiation Pattern WeakestI Th Ref

–100 –80 –60 –40 –20 0 20 40 60 80 100

30

25

20

15

10

5

0

Ballse Centre (ms)

Cur

rent

(mA

)


• Tiempo en el que llega el report : se comprueba quelos reports a través de V1 llegan dentro de la ventanadada por:

[(-1.3 m) / V , (1.3 m)/ V + 100 ms]. Donde V es la velocidad en m/s.

4.3. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LA SEÑAL DETELE-POWERING

Este ensayo evalúa las características de la señal de telepowe-ring generada por el equipo antena-BTM (modo CW) tal comola frecuencia y ruido de la portadora y si el equipo cuenta conel modo de compatibilidad con balizas KER (modo toggling)evalúa las características de modulación de dicha señal.

Los requisitos a verificar son:• Frecuencia central de 27,095 MHz, con una tolerancia

de +/-5 kHz• Diferencia entre la portadora y el ruido mayor de 90

dB, que es equivalente a medir un ruido de fase <-110dBc/Hz con una resolución de 100 Hz. En offsets de en-tre 10 kHz y 100 KHz de distancia a la portadora.

El ruido de fase es la relación de la densidad de potenciadel ruido alrededor de la frecuencia central con respecto a lapotencia de la señal y se expresa en las unidades dBc/Hz, querepresentan la potencia de ruido con respecto a la potencia dela señal en un ancho de banda de 1Hz centrado a ciertas dis-tancias (offsets) de la portadora.

4.4. NIVEL MÁXIMO DE FLUJO DE TELEPOWERINGEl objetivo del ensayo es medir y evaluar el flujo máximo emi-tido por la antena en diferentes posiciones, condiciones de de-bris y condiciones de impedancia en el reference loop. El re-querimiento exigido es que el nivel de flujo medido nuncaexceda el flujo máximo que admitiría una baliza en las peorescondiciones (Fid4).

Desde el punto de vista de diseño de la baliza, se le exige ala baliza un valor de impedancia mayor de 60 ohms en el casode baliza estándar y mayor de 40 ohms para la baliza redu-cida cuando recibe un flujo de telepowering en el rango [Fid4-3db, Fid4].

Por este motivo, para simular el peor caso, en este en-sayo de flujo máximo se simula la baliza con un referenceloop al que se le conectan una serie de cargas de forma quela impedancia que vea la antena sea de 60 o 40 ohmios se-gún se use un reference loop estándar o reducido, siendo losdistintos tipos de carga inductiva pura, capacitiva pura oresistiva pura.

4.5. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LA SEÑAL DE UP-LINK Este ensayo evalúa la capacidad del BTM de decodificar co-rrectamente el telegrama cuando viene montado en una señalde up-link cuyas características eléctricas son extremas encuanto a frecuencia central, desviación en frecuencia, datarate, jitter de phase (o MTIE), y jitter de amplitud, según loslímites en los requisitos que se exigen a la baliza.

El procedimiento de ensayo es idéntico al de transmisiónsólo que utilizando las señales límites de up-link indicadas enla siguiente tabla para cada caso de prueba (Tabla 2).



FIGURA 21. Generación de señales con valores de MTIE extremos.

CASOS DE PRUEBA

Case 1 Máxima Frecuencia Central

Case 2 Máxima Desviación Frecuencia

Case 3 Máximo Mean Date Rate

Case 4 MTIE2 extremo

Case 5 Máximo Amplitude Jitter

Case 6 Mínima Frecuencia Central

Case 7 Mínima Desviación Frecuencia

Case 8 Mínimo Mean Date Rate

Case 9 MTIE1 extremo

TABLA 2.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 200 400 600 800 1.000 1.200

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

x10–5

MTIE Requeriment 1


4.6. INMUNIDAD DE CROSS-TALK El objetivo de este ensayo es verificar que estando la antenaposicionada en la zona de cross–talk (en rojo en el siguienteesquema) no sea capaz de despertar y leer una baliza situadaen el origen de coordenadas, para ello se verificará que la an-tena BTM no detecta la señal de la baliza más fuerte corres-pondiente al flujo emitido por la antena en esas coordenadas.

Además se medirá el margen requerido para que existacross-talk, esto es se irá incrementando la corriente deup-link desde el valor correspondiente a la baliza másfuerte para dicho flujo hasta que el BTM detecte o se lle-gue al máximo de Iu3+20dB. El ajuste se realiza simu-lando una velocidad de paso de baliza de 100km/h (formatrapezoidal).



FIGURA 22. Señales de up-link con valores de amplitude jitter extremos.

FIGURA 23. Coordenadaspara el ensayo de cross-talk.

1.7965 1.797 1.7975 1.798 1.7985 1.799 1.7995 1.8 1.8005 1.801 1.8015

1

0.5

0

–0.5

–1.0

x10–3Time (s)

Analog FSK Time Signal

0 0.5 1 1.5 2 2.5

1

0.5

0

–0.5

–1.0

x10–5Time (s)

Stre

ngth

Stre

ngth

Analog FSK Time Signal

4.000 3.000 2.000 1.000 0 –1.000 –2.000 –3.000 –4.000

3.000

2.000

1.000

0

–1.000

–2.000

–3.000

X Coordenate (mm) for Lateral Displazement + – 500 mm.

Y co

orde

nate

(mm

)

Testing Onboard Zone. Contact Zone: Green SideLobe: Blue Cross-talk: Red


Se verifica para todos los puntos indicados en la zona enrojo, en alturas Máxima y Mínima, con los References Loopestándar, reducido longitudinal y reducido transversal en lascondiciones de debris Nominal, Tilt, Iron Bars, Guard Rails yLoop Cable.

Para evaluar el resultado, se comprueba que no existacross-talk para la baliza más fuerte y como información adi-cional, se puede dar el margen que tendría la antena hastaque el cross-talk se produjera.

4.7. INMUNIDAD DE CROSS-TALK CON CABLESEl objetivo de este ensayo es verificar la no existencia decross-talk ante posibles configuraciones de cables existentesen vía. Los ensayos se dividen en dos partes:

• Up-link cross talk desde el cable a la antena. En-sayar que ante inducciones en los cables cercanos de laseñal de up-link de una baliza excitada no es detectadapor la antena de abordo.

• Tele-powering cross talk desde la antena al cable.Ensayar que inducciones de la señal de telepoweringgenerada por la antena en cables cercanos no hacendespertar una baliza cercana.

Existen dos tipos de configuraciones de cables para los en-sayos:

• Bar Profiles. Para simular cables genéricos. • LZB cables. Herramienta vertical para el ensayo de

27 Mhz y herramienta horizontal para el ensayo de4.2 Mhz, especiales para simular cables LZB.

4.8. SUPERVISIÓN DE LA FUNCIÓN DE DETECCIÓN DE BALIZAS El objetivo de este ensayo es verificar que el BTM disparauna alarma cuando la función de detección de balizas se veperturbada por la presencia de masas metálicas. Con la an-tena a la altura mínima, se verificará para tres casos indica-dos de masas metálicas.

En estas condiciones de masas metálicas y posición rela-tiva de la antena respecto a tope de rail la altura mínima in-dicada por el fabricante se obtendrá los valores de la distanciad que hacen disparar la alarma.

4.9. GESTIÓN DE DISTINTOS TIPOS DE TELEGRAMAS

El objetivo es evaluar de forma sistemática que el BTM puedemanejar los diferentes tipos de telegramas incluida la situa-ción en la que se produce una conmutación del telegrama du-rante el paso de baliza (telegram switching).

El procedimiento es similar al del ensayo de transmisión,pero simulando con todos los diferentes tipos de telegramasque se definen en el Subset-085. La verificación del telegramswitching se realizará a máxima velocidad y a muy baja velo-cidad. El objetivo es simular que al paso del tren por la balizaesta se despierte y comience a emitir de forma cíclica el tele-grama T1, y en el entorno del mitad de recorrido (cuando laantena está encima de la baliza) introducir la secuencia de ce-ros o unos y conmutar al telegrama T2 que se emitirá deforma cíclica hasta que la baliza se desactive otra vez.

4.10. GESTIÓN DE SECUENCIAS DE BALIZAS

El objetivo es verificar que el BTM reporta correctamente unasecuencia de balizas dentro de un mismo grupo de balizas.Para ello se elige la condición más desfavorable que es ungrupo de 8 balizas situadas a la distancia mínima para cadavelocidad.

Se comprueba para todas las balizas del grupo que el BTMreporta correctamente los mismos parámetros que se exigíanen el ensayo de transmisión:

• Telegrama.

• Localización.

• Numero de telegramas válidos.

• Tiempo en el que llega el report.



FIGURA 24. Margen decross-talk.

I up_link dB (mA)

Iu320 dB

Fid3P

Strongest balise

Flujo dB (nVs)


4.11. CONCEPTOS FUNDAMENTALES DEL RECEPTOREste ensayo se centra en verificar los conceptos fundamenta-les del receptor básico, para ello se han seleccionado un con-junto de telegramas de prueba que permiten detectar la viola-ción de las propiedades más obvias y criticas tales comoinversión de telegramas, así como verificar el correcto controlsobre la sincronización de bits, los bits de chequeos y los bitsextras. En algunos casos se exige al BTM que sea capaz de de-codificar estos telegramas especiales (por ejemplo, en el casode la inversión de bits), mientras que en otros casos el BTMdebe rechazar el telegrama.

5. CONCLUSIONES– La antena-BTM es un constituyente ERTMS que forma

parte del sistema de transmisión puntual de informa-ción entre el tren y la vía, capaz de captar y decodificarlas señales de las Eurobalizas.

– La antena-BTM del subsistema de Eurobaliza debecumplir las especificaciones incluidas en las ETI paraser interoperable, que incluyen especificación de requi-sitos (Subset-036, FFFIS for Eurobalise) y especificacio-nes de ensayo (Subset-085, Test Specification for Euro-balise FFFIS).

– Todos los ensayos de Antena-BTM definidos en elSubset-085 se realizan en el Laboratorio de Euroba-liza del LIF, que es laboratorio de referencia para di-chos ensayos.

6. AGRADECIMIENTOS– La actualización del laboratorio a las últimas platafor-

mas de HW se ha llevado a cabo gracias al apoyo y lacolaboración de RINA.

7. REFERENCIAS

Referencias Europeas:

• Directiva Europea 96/48/CE.

• UNISIG SUBSET-023; Glossary of UNISIG Terms andAbbreviations.

• UNISIG SUBSET-026; System Requirement Specifica-tion.

• UNISIG SUBSET-036: FFFIS for Eurobalise.

• UNISIG SUBSET-085: Test Specification for EurobaliseFFFIS.

Especificaciones de ensayo y notas técnicas del LIF

• “Testing of the BTM on-board equipment”, (Tests ofBTM_cedex_03).

• “Generation of Signal Pattern”, (Signal_pattern_ce-dex_v02).

• “Generación de señales FSK con MTIE extremas”,(mtie_generation_fsk_01).

• “Notas con respecto a generación de señales con MTIEextremas”, (mtie_generation_05).

• “Notas respecto a ensayos de flujo máximo”,(Flujo_ma-ximo_cedex_03).

• “Generación de señales FSK con amplitud Jitter extre-mas”, (ajitter_generation_fsk_01).

• “Generación de señales para el ensayo BTM de up-linksignal characteristic”,(BTM Tests_ Up-link signal cha-racteristics_ Señales_01).

• “Notas sobre el ensayo electrical characteristic telepo-wering”, (526_ensayo btm).



FIGURA 25. Ejemplo de conmutación de telegrama en la mitad del paso de baliza.

Radiation Pattern

–1.300 1.300700–700

Telegram T1 (n_t1 veces) Telegram T2 (n_t2 times)T1/.. 00000…/T2


128INECO 5/10/11 16:57 Página 1

zitron.allyouneed.trz.indd 1 22/02/11 17:54

1. INTRODUCCIÓN

La especificación Europea para la verificación de la interoperabi-lidad de un producto genérico ERTMS embarcado (European Vi-tal Computer, EVC o Eurocabina) se basa en tres conceptos bási-cos: Características, Casos de Prueba y Secuencias de Prueba.

CARACTERÍSTICA (FEATURE):

Es un grupo de requisitos, cuyo cumplimiento puede ser pro-bado a través de las interfaces Europeas. Es una caracterís-tica esperada del sistema por parte del operador y, consecuen-temente, visible desde el exterior. Se han identificado 580

Ensayos de eurocabina en ellaboratorio de interoperabilidad

ferroviaria CEDEX (LIF)

DANIEL MOLINA MARINAS (*), RODRIGO CÁCERES HARRIS (**), MYRIAM GONZÁLEZ SECO (***),SANTIAGO GARCÍA CORDERO (****), JOSÉ BUENO PÉREZ (*****), JAIME TAMARIT RODRÍGUEZ (******),

MIGUEL LÓPEZ HERNÁNDEZ (*******), MIGUEL FERNÁNDEZ ELORRIAGA (********) y ANTONIO MARTÍNEZ (*********)

EUROCAB INTEROPERABILITY TESTS IN THE RAILWAY INTEROPERABILITY LABORATORY OF CEDEX (LIF)ABSTRACT The use of unified formats for the analysis of test records and for the description of track signalling lay-out allowsthe use of the same methodology in the verification of the interoperability of generic Onboard ETCS subsystems and in theprocess of placing into service Onboard and Trackside specific projects. This includes the verification of braking curves. Thelaboratory validation by comparative analysis of operational scenarios performed on the track and in the laboratory makesacceptable the laboratory tests for the safety departments of the Infrastructure Manager and Railway undertaking.

RESUMEN La utilización de formatos unificados para el análisis de registros de ensayos y para la descripción del desplie-gue del sistema de señalización de vía permite utilizar la misma metodología de ensayos en procesos genéricos de verifica-ción de la interoperabilidad de equipos embarcados y de puesta en servicio de proyectos específicos de señalización tanto devía como de equipos embarcados. Esto se puede extender al análisis de las curvas de frenado. La validación del laboratoriomediante análisis comparativos de escenarios operacionales ejecutados en vía y en laboratorio hace aceptables los ensayosde laboratorio para los departamentos de seguridad del Gestor de Infraestructura y Operador Ferroviario.

37

Palabras clave: Eurocabina, Señalización ferroviaria ERTMS, Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad,Escenarios Operacionales, Certificación, Puesta en Servicio.

Keywords: Eurocab, European Signalling System, ERTMS, TechnicalSpecification for Interoperability,Operational scenarios, Certification, Placing into service.

(*) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Dr. en Ciencias Físicas. E-mail: [email protected] (**) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Ingeniero de Telecomunicaciones. E-mail: [email protected] (***) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Licenciada en Ciencias Físicas. E-mail: [email protected] (****) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Ingeniero de Telecomunicación. E-mail: [email protected] (*****) Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Dr. Ingeniero Naval. E-mail: [email protected] (******) Director del Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CEDEX. Dr. Ciencias Físicas. E-mail: [email protected](*******) INECO. Dr. en Ciencias Físicas. E-mail: [email protected] (********) INECO. Licenciado en Ciencias Matemáticas. E-mail: [email protected] (*********) INECO. Licenciado en Ciencias Físicas. E-mail: [email protected]


11EUROCABINA 20/4/12 14:40 Página 37

características para cubrir todos los requisitos funcionales ex-presados en la versión 2.3.0 “d” de la especificación técnica(SRS: System Requirements Specification).

CASOS DE PRUEBA:Son descripciones funcionales y técnicas de los ensayos nece-sarios para demostrar la interoperabilidad. Esto es, un casode prueba describe el ensayo para verificar el correcto cumpli-miento de una característica por parte de un equipo embar-cado sometido a prueba. Se han especificado 633 casos deprueba para cubrir las características de la versión 2.3.0 “d”de la especificación técnica.

SECUENCIAS DE PRUEBA:Las secuencias de prueba están pensadas para la ejecuciónautomática de los casos de prueba agrupando estos últimosen escenarios que reflejan una situación operacional y puedenser ejecutados en entornos de ensayo normalmente utilizadospor la industria y similares. Se han construido 93 secuenciaspara concatenar todos los casos de prueba y cubrir todas lascaracterísticas de la especificación técnica.

Un caso de prueba consta esencialmente de un estado ini-cial, el cuerpo del caso de prueba y la condición final. Para

concatenar casos de prueba la condición final de un caso debeser igual a la condición inicial del siguiente.

Sin entrar en la especificación técnica y con objeto de en-tender la metodología del ensayo de verificación de la intero-perabilidad del equipo embarcado, podemos poner como ejem-plo un punto intermedio de la secuencia número 15 donde elequipo embarcado recibe una autorización de movimiento conuna descripción de los parámetros necesarios para la protec-ción del tren. Esta información se transmite por medio de ba-lizas que emiten paquetes de variables definidos en la especi-ficación técnica (La interpretación del lenguaje es el núcleo dela interoperabilidad):

• Recepción de una autoridad de movimiento (MA): Pa-quete 12. Característica 32, Caso de prueba 1.1.

• Recepción del perfil de velocidades de la vía (SSP). Pa-quete 27. Característica 37. Caso de prueba 2.1.

• Recepción del perfil de gradientes de la vía (GP). Pa-quete 21. Característica 62. Caso de prueba 2.1.

• Información de enlace de grupos de balizas (Linking).Paquete 5. Característica 57. Caso de prueba 2.1.

• Envío de un mensaje de texto. Paquete 72. Caracterís-tica 109. Caso de prueba 1.1.

ENSAYOS DE EUROCABINA EN EL LABORATORIO DE INTEROPERABILIDAD FERROVIARIA CEDEX (LIF)


FIGURA 1. Pruebas genéricas para la verificación de la interoperabilidad del equipo embarcado. Secuencia de ensayo 15: Casos de pruebaconcatenados para la recepción de una autorización de movimiento y parámetros asociados.


• Registro de los mensajes recibidos en la Unidad de Re-gistro Jurídico. Característica 32, Caso de prueba 1.2.

Para verificar el cumplimiento de los requisitos correspon-dientes vemos destacadas en azul las interfaces Europeasafectadas. El módulo lector de balizas del equipo embarcado(BTM) debe leer los mensajes enviados desde la vía y la lec-tura decodificada de los mensajes debe registrarla el equipoembarcado en la Unidad de Registro Jurídico (JRU). Para ve-rificar el cumplimiento de estas características concatenadasdeberemos pues analizar el registro jurídico y comprobar quelos mensajes enviados en este punto se han decodificado co-rrectamente.

2. UNIFICACIÓN DE FORMATOSEn la actualidad cada compañía suministradora utiliza for-matos propios para los registros de información en la JRU. Sibien estos formatos son similares, su análisis requiere el co-nocimiento del formato específico de cada compañía. Con ob-jeto de poder decodificar los registros de todas las compañíascon un intérprete único de mensajes para cada versión de laespecificación técnica, el Laboratorio de InteroperabilidadFerroviaria (LIF) del CEDEX ha desarrollado una herra-mienta de análisis de registros que consta de dos partes dife-renciadas:JR_DECS: Herramienta que mediante un descriptor del

formato (descriptor file) traduce los registrospropios de la compañía en cuestión a un for-mato de base de datos sqlite (.db3).

TJDExplorer: Intérprete unificado de registros para unaversión concreta de la especificación técnica.

Esta herramienta contiene multitud de aplicaciones exper-tas que han sido desarrolladas basándose en la experienciadel Laboratorio en los procesos de certificación y puesta enservicio de equipos ERTMS. No es cuestión presentar aquí lasprestaciones de esta herramienta experta. Se desea hacerhincapié en las ventajas que se derivan de la utilización de unformato común de los registros que permite centrar todo el es-fuerzo de desarrollo en un intérprete experto y gestor de la in-formación almacenada en la Unidad de Registro Jurídico.

A modo de ejemplo presentamos la interpretación de unmensaje con una Autorización de Movimiento, similar al pre-sentado en el segmento de la secuencia N° 15 para el ensayode un equipo genérico. Este registro proviene no de un regis-tro obtenido en un proceso de certificación genérico sino de unregistro de un viaje específico de pruebas en la línea Madrid-Levante con señalización de vía diseñada por Dimetronic ytren equipado por Siemens. JRU del equipo de Siemens enconsecuencia.

3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPAMIENTO DE SEÑALIZACIÓNDE VÍA EN FORMATO COMÚN

Tal como se ha presentado en el apartado anterior, la utiliza-ción de un formato común para los registros de la Unidad deRegistro Jurídico permitió desarrollar con mayor consistenciael análisis de los registros tanto para ensayos genéricos decertificación como para pruebas complementarias de puestaen servicio de proyectos específicos.

De manera análoga, la utilización de formatos unificadospara la descripción de los datos de señalización de vía permiteutilizar estructuras análogas para la certificación de produc-



FIGURA 2. Herramientas LIFpara la Unificación delformato e interprete deregistros de la JRU.

files jru.hex.bin.has

XMLdescriptor

file

SRS version

TJDExplorer

.tmp 0´s & 1´s ASCCI file

log file

.db3 file(dblite file)Sql ver 3.

JR_DECS


tos genéricos y para la puesta en servicio de proyectos especí-ficos. Esto supone la consolidación de los procesos de puestaen servicio al alcanzar estos la madurez de los procesos decertificación, unificados para toda Europa.

La confianza depositada en el LIF por el ADIF y por lossuministradores de equipos de señalización de vía ha permi-tido el acceso del laboratorio a datos de proyecto de diferentestecnólogos. Basta mencionar como ejemplo Ansaldo para la lí-nea Madrid – Lérida y Figueras - Perpignan, Dimetronic parala línea Madrid – Levante y cercanías de Madrid, Thales parala línea Lérida – Barcelona y cercanías de Madrid, Alstompara la línea Zaragoza – Huesca y cercanías de Madrid.

Para el estudio de estos proyectos el LIF ha venido desa-rrollando formatos comunes para la descripción de los datosde proyectos de señalización. El formato introducido ha se-guido con éxito las recomendaciones formuladas por el consor-cio Europeo de compañías de señalización plasmadas en elllamado Subset-112.

A modo de ilustración, se muestra en la Figura 4 el mapade los elementos de señalización de vía para los datos del pro-yecto Madrid – Levante facilitados por Dimetronic. Vemosque en esta compleja estructura se han podido describir ele-mentos tan complejos como: Circuitos de vía, desvíos, señales

con sus aspectos, obra civil (túneles, viaductos, zonas neutras,etc). A esto hay que añadir que las rutas establecidas se defi-nen utilizando la tabla de movimientos e incompatibilidadesfacilitada por la compañía.

Conviene señalar que tanto los descriptores de formatoelaborados para el análisis de los registros de la Unidad deRegistro Jurídico como la transformación de los datos de se-ñalización de vía, los realiza el LIF sin cargar con trabajo adi-cional a las compañías que depositan su confianza en el labo-ratorio. Los datos necesarios que debe proporcionar elsuministrador para la descripción del despliegue de la señali-zación en vía consisten en lo siguiente:

• Identidad y localización de los elementos de vía:Señales, desvíos, eurobalizas, circuitos de vía, etc.

• Perfiles de gradiente y velocidades máximas encada segmento de la vía

• Telegramas fijos y telegramas variables emitidospor las eurobalizas

• Tabla de movimientos: Relación entre los aspectos delas señales y los telegramas emitidos por las Eurobali-zas asociadas a ellas



FIGURA 3. Análisis y visualización por la herramienta TJDExplorer de un mensaje con una autorización de movimiento.


Esta familia de datos se compila en una hoja Excel para sumanipulación automática durante la selección de los escena-rios. Esta compilación se lleva a cabo sin manipulación ma-nual de manera que se asegura la integridad de los datos faci-litados por el fabricante.

Una vez consolidados los datos de proyecto en el formatoutilizado para los procesos de validación, es posible construirun escenario de pruebas con datos de proyecto en el formatoutilizado por las secuencias de ensayo. Para ello basta conca-tenar segmentos de la descripción de vía eligiendo los aspec-tos de las señales y la posición de los desvíos. Hecha esta se-lección los telegramas que envían las balizas para ladescripción y protección del movimiento quedan automática-mente seleccionados de acuerdo con la tabla de movimientosfacilitada por la compañía.

La Figura 5 muestra la construcción de un escenario ope-racional mediante la concatenación de cinco segmentos, la se-lección de los aspectos de cuatro señales (entre ellas la de en-trada en la estación, E2PZR, con aspecto de marcha a lavista, On Sight) y de la posición de cuatro desvíos. En la parteinferior se aprecian los telegramas de balizas automática-mente seleccionados de manera idéntica al escenario que sehubiera ejecutado en vía.

4. COMPARACIÓN DE LOS REGISTROS EN VÍAY EN LABORATORIO

Parece evidente que si se utilizan secuencias operacionales condatos de proyecto y se conectan las eurocabinas reales a las he-rramientas de referencia del LIF, los resultados serán idénticosen laboratorio y en vía. Esto es así pero hay que demostrarlo.

Con el objetivo de validar el laboratorio, se han ejecutadolos mismos escenarios en vía y en laboratorio utilizando losmismos datos de proyecto facilitados por Dimetronic y lasmismas Eurocabinas del tren S-112 de Siemens. La Figura 6muestra el escenario de validación ejecutado en vía y labora-torio en el que se verifica el comportamiento del tren en cincomodos técnicos así como las funciones de protección delequipo embarcado (entrada en el modo TRIP)

La coincidencia de los registros si bien esperada, resultasorprendente por su precisión: salen curvas superpuestas.Como muestra se presenta en la Figura 7 el estudio compa-rativo Laboratorio vía para el cálculo de las velocidadespermitidas efectuado por el equipo embarcado en funciónde las autorizaciones de movimiento recibidas y la estima-ción de la posición del tren a partir de los grupos de balizasleídos.



FIGURA 4. Descripción de los elementos de señalización de vía para la línea Madrid – Levante (Dimetronic) utilizando la propuesta de formato del Subset-112 de UNISIG. Estación de Horcajada.




FIGURA 5. Elaboración de un escenario operacional con datos de proyecto: Entrada en la estación de Pozorrubielos en la línea Madrid-Levante (Datosfacilitados por Dimetronic).

FIGURA 6. Escenario operacional para la validación del laboratorio entre las estaciones de Valdemoro y Villarrubia en la línea Madrid-Levante (Datosfacilitados por Dimetronic).

E´4

E´2

Seg_02

Seg_03

Seg_07

Seg_11

D2

D8D4

D8D12 D11

D3 E3

E1

D7

E4

M4 S1/3 S2/3

S2/1

S2/2

S2/4

S1/1

S1/2

S1/4

E2

MRSP

FSFS

TR

SB → SRD_LRBG D_LRBG L_DOUBTUNDER

L_DOUBTOVER

Spee

PT → SR

Braking Curve

Distance


5. ESTUDIOS COMPARATIVOS DE LAS CURVASDE FRENADO

En principio la dinámica del tren es un aspecto que no puedereproducirse con parámetros fijos de proyecto. Sin embargopara las condiciones normales de explotación del tren, los pro-cesos de frenado son regulados siguiendo requisitos de explo-tación que normalmente se encuentran muy por debajo de lacapacidad real de frenado del tren que solamente se aplica enfrenados de emergencia.

La armonización de las curvas de frenado es una de lasfuncionalidades clave que se introduce en la nueva versión delas especificaciones técnicas del sistema ERTMS, conocidacomo línea de base 3. Esta especificación técnica se utilizaráen el despliegue de los corredores Europeos de mercancías apartir del año 2014 en el que se piensa que la especificaciónesté consolidada.

La especificación de las curvas de frenado y su armoniza-ción son fundamentales en el diseño de la señalización de víaya que determinan las distancias que deben respetarse entrepuntos de peligro a proteger (desvíos) y señales principales,previas y avanzadas de manera que en una explotación eficazde la línea para la frecuencia y velocidad de trenes fijada noaparezcan curvas de frenado en los procesos de conducciónnormal. La armonización de las curvas de frenado supondrápues un paso importante en la aceptación cruzada de trenesque deben operar en corredores que cruzan varios países, ope-rados por operadores privados.

Con objeto de facilitar la armonización de las curvas defrenado, la Agencia Ferroviaria Europea (ERA) ha desarro-llado un modelo teórico para la verificación de la interoperabi-lidad en su aspecto de los procesos de frenado. El LIF ha co-menzado ya a utilizar el modelo funcional de las curvas defrenado facilitado por la ERA para su validación realizandoestudios comparativos de procesos de frenado en laboratorio yen vía.

Para ello se han realizado estudios comparativos de los re-gistros de campo en aproximaciones a un final de una autori-zación de movimiento en las pruebas realizadas en el Bypassde Yeles que conecta las líneas Levante – Madrid – Sevillaevitando Atocha.

Para la realización del estudio comparativo, se tomarondatos de un tren S-112 equipado por Siemens con la mismaversión de software en la cabina del laboratorio y la instaladaen el tren y se extrajeron los parámetros de control de freno

registrados en la JRU en el registro Data_Entry. La compara-ción se realizó entre los registros de la velocidad permitida ob-tenidos en laboratorio y en vía y estos se compararon con lasestimaciones obtenidas por las aplicaciones informáticas de-sarrolladas por el LIF (funcion_cdf) y la aplicación facilitadapor la ERA (ERA_Braking_curves_tool_v2).

La gráfica comparativa de los registros y estimaciones pro-porcionadas por los modelos se facilita en la Figura 8. La ex-celente coincidencia de los registros y estimaciones abre el ca-mino para dos acciones de especial relevancia:

• Verificación de las curvas de frenado en equipos embar-cados equipados con la versión de las especificacionestécnicas correspondientes a la nueva línea de base 3.

• Integración tren – vía en los procesos de puesta en ser-vicio mediante ensayos de laboratorio utilizando datosde proyecto y Eurocabinas comerciales.

6. CONCLUSIONESLa utilización del laboratorio con datos del proyecto de infra-estructura y equipos embarcados reales conectados a las he-rramientas resulta extremadamente útil para aliviar los en-sayos de campo, especialmente cuando se trata de poner enservicio sistemas ERTMS en instalaciones que ya se encuen-tran en operación comercial.

La construcción de los escenarios con los datos del fabri-cante a partir de la definición de los casos de prueba genéri-cos y de la tabla de movimientos específica del proyecto su-pone:

• Un elevado grado de similitud con las pruebas decampo.

• Un entorno controlado de ensayo de mayor eficacia téc-nica y económica.

• La utilización de las mismas herramientas y formatosutilizadas en los procesos de certificación da mayor fia-bilidad al análisis de resultados.

• Permite una verificación off-line de datos de proyectocon objeto de comprobar el cumplimiento de las reglasde ingeniería establecidas por el ADIF.

• La validación del laboratorio mediante la comparaciónde registros obtenidos en vía hace aceptables para losdepartamentos de seguridad las pruebas ejecutadas enel laboratorio con datos de proyecto y equipos reales



FIGURA 7. Comparación laboratorio-vía: Cálculo de la velocidad permitida por el equipo embarcado (Izda.) y registro de las distancias recorridas desdelos grupos de baliza referenciados (Dcha.).

40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000 75000 80000 85000 90000 42000 47000 52000 57000

300

250

200

150

100

50

0

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

DTeórica (m) X(i)

Vper

met

ica

(km

/h)

D_L

RBG

(m)

Permitted Speed Permitted Speed ViaPermitted Speed Via

Área de trazado

x(i) vs D_LRBG(evc) Labx(i) vs D_LRBG(evc) Vía´´N_PIG=0x(i) vs D_LRBG Calculada Labx(i) vs D_LRBG Calculada Vía


• La utilización de un formato unificado para la des-cripción de los proyectos de señalización de vía per-mite la creación de una base de datos unificada detodas las líneas ferroviarias de la red. Esta base dedatos puede ser de enorme utilidad para procesos demantenimiento, armonización y mejora de las líneasde la red.

7. REFERENCIAS

• System Requirements Specification: SUBSET-026 Issue2.3.0 “d”.

• Functional Requirements for an on board ReferenceTest Facility: SUBSET-094, issue 2.0.2.

• Test Sequences: Subset-076-6-3 v233.

• FFFIS Juridical Recorder-Downloading tool: SUBSET-027, issue 2.3.0.

• Performance Requirements for Interoperability: SUB-SET-041, issue 2.1.0.

• Dimensioning and Engineering rules: SUBSET-040, is-sue 2.3.0.

• UNISIG Basics for Interoperability Test Scenario Spe-cifications: SUBSET-112, issue 1.0.3.

• ERA_Braking_curves_tool_v2.0.xlsm. Herramienta dela Era.

• JR_DECS: Juridical Recording Data Extraction, Checkand Storage: User handbook, CEDEX.

• TJDExplorer: Train Juridical Data Explorer: Userhandbook, CEDEX.

• TOPOLOGY layout: User handbook, CEDEX.• ITG-CER001: Uso del laboratorio para el proyecto cer-

canías, CEDEX Julio 2009.• NT-Intercomparación LAB-VÍA: Informe intercompara-

ción laboratorio-vía, CEDEX Mayo.



FIGURA 8. Estudio comparativo de las curvas de frenado para una aproximación al final de una autorización de movimiento: registros en vía, registros enlaboratorio y modelos del LIF y de la ERA.

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

300

250

200

150

100

50

0

Distance (m) x104

Spee

d (k

m/h

)Escenario....: GAE-BPY-SWE-S112 PK: 67000->84700

EBD modelos CEDEX y ERA

SBD modelos CEDEX y ERA

Puntos Permitted Speed JRU Via (azul)

Puntos Permitted Speed JRU Laboratorio (rojo)

Permitted Speed modelo ERA (magenta)

Permitted Speed modelo CEDEX (negro)

5501.0 5503.0 5505.0 5507.0 5509.0 5511.05513.0 5515.0 5517.0 5519.05521.0 5523.05525.0 5527.05529.0


1. INTRODUCCIÓNEl servicio comercial de un tren en una línea en concreto yoperado con un sistema específico se alcanza siguiendo unproceso claramente definido por el ciclo de vida de ambos sis-temas y los procedimientos establecidos para la puesta en ser-vicio de los mismos a través de las especificaciones técnicas deinteroperabilidad. Dentro de este procedimiento se encuen-tran una serie de hitos a alcanzar en los cuales se define ladocumentación necesaria a entregar, la realización de prue-bas, los informes de las pruebas, la aceptación y aprobaciónde la documentación y la emisión de autorizaciones. El desa-rrollo de este proceso requiere la participación de distintos ac-tores implicados en diferentes grupos de trabajo entre ellos, ladirección general de ferrocarriles, el administrador de infraes-tructuras, el operador, laboratorios de referencia, el fabricantey otras entidades con distinta relevancia.

Recientemente la Comisión Europea ha publicado una re-comendación dónde se explica el proceso de autorización parala puesta en servicio de vehículos (ref. [3]). En el marco nacio-

nal la puesta en servicio de vehículos se rige por la OrdenFOM 233/2006 que está siendo revisada para su adaptación alas normativas europeas.

INECO ha colaborado activamente en las diferentes fasesde los procesos de puesta en servicio de vehículos equipadoscon ERTMS actualmente en servicio.

El objetivo de las pruebas de integración es verificar la in-tegración de un tren en la red, partiendo de la base de que losequipos a integrar son interoperables y la integración es se-gura. Los casos de prueba tienen como objetivo comprobar lospuntos abiertos de la ETI de Control, Mando y Señalización ylas normas nacionales.

2. PROCESO DE PRUEBAS DE INTEGRACIÓNAntes de comenzar las pruebas de integración propiamentedichas es necesario que cada subsistema haya entregado unaserie de documentación y la versión instalada se encuentre enuna situación estable dentro del ciclo de vida del proyecto. Elconstructor de la infraestructura o del equipo embarcado debeentregar al promotor la siguiente documentación:

• El dossier de Verificación y Validación (evaluado pre-viamente por el NoBo y el DeBo), debe recoger todo elconjunto de pruebas y sus registros, tanto en laborato-rio como en vía, que cada fabricante haya realizado asus equipos durante todo el ciclo de vida del sistema.

Papel de INECO en las pruebas deintegración tren-vía del sistema ERTMS

ANA Mª GÓMEZ SÁNCHEZ (*) y PABLO VILLAR CUBILLAS (**)

THE ROLE OF INECO ON THE ONBOARD– TRACKSIDE ERTMS INTEGRATION TESTSABSTRACT The aim of this article is to offer an overview on the onboard – trackside ERTMS integration tests, an essentialactivity included in the authorization for placing in service process of an onboard-equipment, more specifically in theverification of the technical compatibility between the vehicle and the network. Particularly, this article gives an insight tothe role of INECO in this process, from the selection of test cases and the location of the test cases on the track (testscenarios), to the tests preparation, analysis of tests results and the final report delivered. Other entities are also involved inthis process as the Spanish National Safety Authority, the IM, ADIF, the railway undertaker, RENFE and the laboratory ofinteroperability CEDEX-LIF.

RESUMEN Este artículo pretende dar una noción básica sobre el proceso de pruebas de integración ERTMS tren-vía. Estaspruebas son parte esencial del proceso de puesta en servicio de un equipo embarcado en una línea equipada con ERTMS.Particularmente se explica el papel que realiza INECO en este proceso desde la definición de los casos a realizar, la ubica-ción de los mismos, la preparación de las pruebas, el análisis de los resultados y el informe final de pruebas. En este pro-ceso intervienen además otros actores como la Autoridad Nacional de Seguridad, ADIF, RENFE y el laboratorio de intero-perabilidad CEDEX-LIF.

45

Palabras clave: Especificaciones técnicas de interoperabilidad, ERMTS, Integración, Casos de prueba, Puesta en servicio.

Keywords: Technical Specifications for Interoperability, ERMTS, Integration, Test cases, Placing in service process.

(*) Gerente de proyecto de INECO. Ingeniero Superior Industrial. E-mail: [email protected](**) Jefe de proyectos de INECO. Licenciado en Ciencias Físicas. E-mail: [email protected]


09INTEGRACION 20/4/12 14:42 Página 45

• El dossier de seguridad (validado por el ISA) deberá es-tar finalizado por el equipo de seguridad del construc-tor. Si es posible y la planificación lo permite se de-berá entregar también el informe independiente deseguridad elaborado por el ISA correspondiente.

Mientras los subsistemas embarcado y vía se ponen apunto, y en vistas a la proximidad de las fechas de pruebasen campo, INECO realiza una propuesta de casos de pruebade integración que aplican al equipo embarcado a poner enservicio teniendo en cuenta la red (o línea) específica. Estapropuesta debe ser aprobada por el comité formado por laDGF, ADIF, RENFE e INECO según las características par-ticulares de ambos subsistemas.

El siguiente paso a realizar consiste en ubicar los casosde prueba en la línea y realizar los escenarios de pruebas.Para la ubicación de los casos en la línea se estudia el obje-tivo del caso de prueba y las posibles ubicaciones en la líneadependiendo de la ingeniería aplicada según cada fabri-cante, así como las excepciones y/o limitaciones, para lo quees necesario conocer las reglas de ingeniería del fabricante ylas limitaciones existentes tanto del equipo embarcado comodel equipo de vía.

Por otra parte, a la hora de realizar los escenarios y con-catenar los casos de prueba, se trata de que la ubicación delos casos de prueba sea eficiente, minimizando el número detrayectos en vacío. Además, en los escenarios se indicanotras posibles ubicaciones de los casos de prueba ya que du-rante las pruebas en campo es posible que los escenarios de-ban ser modificados por causas como disponibilidad de vía,tiempo de ejecución de caso, etc., y de esta manera la reloca-lización de los mismos se puede realizar de forma más rá-pida.

En la Figura 1 se puede observar la ubicación de diferen-tes casos de prueba en un escenario con el identificador en-cuadrado en rojo, así como otra información relevante para

la realización del caso de prueba como el estado de las seña-les o zona de ejecución del caso de prueba. Asimismo, en elesquema se presenta otra información que puede ser de uti-lidad para la realización de las pruebas como las zonas neu-tras, desvíos, apartaderos, señales, viaductos y túneles.

En la Tabla 1 se detalla la descripción del escenario indi-cado en la ilustración 1 con los casos de prueba a realizar,las condiciones de realización de cada caso y los posibles lu-gares de relocalización del caso de prueba, así como pasosintermedios indicativos para la concatenación de los casosde prueba.

Al tiempo de la preparación de los escenarios se recibe laconvocatoria de pruebas. Ésta, dependiendo del estado de lalínea y disponibilidad, puede ejecutarse en horarios noctur-nos y/o de fin de semana. Durante las pruebas en campo setrata de seguir la planificación prevista en los escenarios,realizando notas de campo de lo sucedido durante las prue-bas, lo observado en el DMI, posibles incidencias detectadas,el estado de la señalización y la situación de la vía (Limita-ciones temporales de velocidad, circuitos de vía ocupados,temporizadores, etc.). En caso de que no se puedan realizarlas pruebas según lo programado se procede a reubicar loscasos realizando propuestas según lo que estaba previsto enlas notas de los escenarios. Asimismo, se realizan grabacio-nes en vídeo del DMI y se extraen los datos del registradorjurídico para su posterior análisis.

Durante la fase de análisis se utilizan las notas decampo, la definición de los casos de prueba, los datos del re-gistrador jurídico, los vídeos de grabación del DMI y la plan-tilla de observables definidos para el caso de prueba. Estaplantilla de observables define la secuencia de pasos de uncaso de prueba y los diferentes observables que verifican elcaso de prueba como mensajes grabados, estado de varia-bles, acciones o eventos ocurridos. En la Tabla 2 se muestrauna plantilla de un caso de prueba de nivel 2 donde se

PAPEL DE INECO EN LAS PRUEBAS DE INTEGRACIÓN TREN-VÍA DEL SISTEMA ERTMS


FIGURA 1. Esquema deescenario en la líneaOrense-Santiago.

OURENSEPCAARROYO GARABANES

PCARÍO DEZAPCA LALÍN

SANTIAGOPCAO CURRO


puede observar la descripción de la secuencia de pasos, asícomo los observables definidos. Este formato de casos deprueba ha sido desarrollado por INECO con el fin de deter-minar de forma clara el objetivo y los observables del caso.Este formato ha sido el punto de partida para la definiciónde un formato común europeo.

Los observables de los casos de prueba se basan en la de-finición de casos de prueba realizado por ADIF a los queposteriormente se han sumado los acuerdos realizados porADIF, Renfe, la DGF e INECO, para la correcta comproba-ción de la funcionalidad objeto de cada prueba.

En la Figura 2 se puede observar una imagen del desco-dificador de datos del registrador jurídico desarrollado porCEDEX-LIF. Con esta herramienta se pueden verificar losmensajes que ha registrado el EVC, tanto de radio como deeurobaliza. Además, se observan las acciones realizadas porel maquinista durante las pruebas y otros eventos necesa-rios para la verificación del caso de prueba.

La grabación de vídeo sirve para volver a tener una vi-sión de lo sucedido durante las pruebas, de gran utilidadcuando se ha detectado una incidencia y se han de buscardetalles que hayan pasado desapercibidos durante las prue-

bas. Estas incidencias son analizadas, teniendo en cuentalos datos de los que se dispone, con el fin de esclarecer enque subsistema se encuentra la incidencia para su resolu-ción. En algunos casos, dependiendo del tipo de incidencia,INECO propone una solución, de cualquier manera se in-forma al fabricante de la incidencia y se le solicita justifica-ción y/o solución al problema detectado.

El resultado de las pruebas, los análisis realizados de loscasos de prueba y las incidencias detectadas son recogidosen el informe de pruebas. En el informe se pone especialatención a los casos de prueba con resultado desfavorable ya las incidencias detectadas. El tratamiento que se les da alas situaciones desfavorables es analizar la posible causa yconcluir de forma clara la situación en la que quedan losequipos debido al fallo, informando de si esa situación pro-duce un problema de operación y/o seguridad. Este informees distribuido al comité formado por DGF, ADIF, RENFE eINECO para su estudio. Cada una de las partes analiza losresultados, para posteriormente aprobar el informe e infor-mar a las entidades implicadas en la corrección o mitigaciónde las incidencias detectadas. Las soluciones obtenidas seponen en conocimiento del comité.



CP INECO CP ADIF Descripción Condiciones caso Fecha Hora Comentarios

2.27 2.1.3.b) 1

Supervisión de la curva defrenado. En condicionesnormales y en las peorescondiciones de gradiente.– Solicitar cierre de señal 710(por via 2) en pK 71,141(grad - 25).

2.18 2.1.2.c) 1

Supervisión de la velocidadde liberación. Rebase noautorizado de una señal quemuestra aspecto de parada.Velocidad de liberación igual aun valor fijo enviado por la vía.• Realizar rebase no autorizadode la señal 710 a velocidadproxima a la de liberación(30 Km/h).• Medir la distancia recorridadesde la señal al morro del tren.

Se continúa en N1 SR y en la señal 550 se produce el cambio a FS

4.15 2.3.5 a) 1

Rebase de señal en aspecto deparada. Modo FS.– Solicitar cierre de señal 432.• Realizar rebase autorizado dela señal.

Relocalización:Cualquier señal enaspecto de parada.

Se continúa N1 SR y en señal E2 se cambia a FS.

2.9 2.1.1.g) 1

Ampliación de la supervisión develocidad. Supervisión delimitaciones temporales develocidad (LTV) en nivel 0.– Sentido Orense: Solicitar LTVen zona de transición a N0. LTVde 150 en CV 106 entre Pks10,603 y 7,742 y LTV de 150 enCV 78 entre PKs 7,742 y 4,742.

Relocalización:– Sentido Santiago:Solicitar LTV en zona detransición a N0. LTV de100 en CV 773 y CV 801entre 77,365 y 82,204.

Desde Santiago a Orense por vía 2.

TABLA 1. Escenario de pruebas.


3. CONCLUSIONESComo resumen del proceso de pruebas de integración se pre-senta la Figura 3, donde se menciona brevemente la docu-mentación necesaria para la realización de las pruebas deintegración, los datos obtenidos durante las pruebas necesa-rios para el análisis de lo ocurrido durante las mismas y laelaboración del informe final, donde se indica el resultado de

cada caso de prueba y las incidencias detectadas durante lasmismas.

En este proceso, supervisado y dirigido por el comitéformado por DGF, ADIF, RENFE e INECO, INECO desem-peña un papel fundamental en la selección de los casos deprueba, la ubicación de los mismos y en la realización delas pruebas. INECO realiza asimismo el análisis de las



Código INECO Código Adif Versión Título

Caso de prueba 5.10 2.6.6 2Supervisión de perfil estático pordesvío y LTV. LTV más restrictiva

que el desvío

Objetivo de la prueba Comprobar que cuando se recibe una LTV que aplica a la otra vía, al aproximarse al desvío el sistemasupervisa correctamente la velocidad máxima permitida.

Estado inicial

Nivel 2

Modo FS

Velocidad (km/h) NR

Condiciones inicialesEl tren se aproxima al paso por un desvío. En la vía colateral,tras el desvío, se implanta una LTV que es más restrictiva quela velocidad de paso por el desvío.

Secuencia del caso de prueba DMI JRU

Observables Acciones sobre DMI OK ? Observables OK ?

5.10.1 El RBC envía unmensaje conLTV en víaadyacenteposterior al áreadel desvío

Mensajes 24(LRBG1)

Paquete 65NID_TSR=

LTV1V_TSR = V1L_TSR= L1D_TSR= D1Q_FRONT=0

5.10.2 El tren iniciacurva de frenadohacia el desvío

Curva de frenado conV_objetivo =V_STATIC(desvío)

Vtren < Vpermitida

V_TRAIN <V_PERMITTED

V_TARGET=V_STATIC(desvío)

5.10.3 El tren iniciacurva de frenadoa la LTV1 sinaplicar freno

Curva de frenado conV_objetivo= V1

Vtren < Vpermitida

V_TRAIN <V_PERMITTED

V_TARGET = V1V1<V_STATIC(desvío)

5.10.4 Recorrida ladistancia D1 eltren entra enzona de LTV1.El tren seencuentra dentrodel desvío

Vpermitida = V1Vtren ≤ V1

V_MRSP = V1V_TRAIN ≤ V1

max safe frontend = D1 (LRBG1)– L_DOUBTUNDER

Estado final

Nivel 2

Modo FS

Velocidad (km/h) ≤ V1

Condiciones finales El tren continua circulando dentro del área de la LTV1

Observaciones El paso 5.10.2 puede no ocurrir si el tren gestiona directamente la curva de frenado de la LTV1

TABLA 2. Caso de prueba de Nivel 2.


pruebas y de las incidencias detectadas y emite un informeen el que se reflejan las conclusiones finales de las pruebasde integración. Este informe se distribuye al comité parasu análisis y aprobación. En caso de que sea necesaria al-guna acción posterior se deberá informar al grupo de lasmedidas tomadas para la solución de incidencias detecta-das.

4. REFERENCIAS[1] UNISIG SUBSET-026; System Requirement Specification.

[2] UNISIG SUBSET-076; Test Specification.

[3] CCS TSI. Decision 2012/88/EU. on the technical specificationfor interoperability relating to the control-command and sig-naling subsystems of the trans-European rail system.

[4] Directive 2008/57/EU on the interoperability of the railsystem within the Community.

[5] Commission Recommendation, 2011/217/EU on the aut-horisation for placing in service of structural subsystemsand vehicles under Directive 2008-57.

[6] Orden FOM 233/2006.[7] Casos de prueba de ADIF.[8] Funciones nacionales de ADIF.



FIGURA 3. Esquema del proceso depruebas de integración.

FIGURA 2. Pantalla del JRU Analiser del CEDEX.

Documentación necesaria:SRS, reglas de ingeniería,

funciones nacionales, tira devía, listado de casos de

prueba

Documentos obtenidos:notas de campo, videos,

registrador jurídico

Informe final depruebas: resultadode casos de prueba

e incidencias

Selección decasos y

localización

Pruebasen campo

Análisis deresultados


75GESTIONINTEGRADA 7/10/11 14:59 Página 88

1. INTRODUCCIÓN

En España, el consumo eléctrico del transporte ferroviario haaumentado un 6% anualmente desde 2002, debido principal-mente a las líneas de alta velocidad que se han ido poniendo enoperación durante los últimos años. Aunque uno de los argu-mentos para defender este desarrollo es que es el medio detransporte que consume menos energía por pasajero, supone uncoste de energía enorme por lo que exige una continua mejora,principalmente en términos de seguridad y ahorro energético.

El ahorro de energía, la calidad del suministro, la fiabili-dad, la reducción de picos de potencia, la capacidad de acele-ración en el arranque y las caídas de tensión en la catenaria

son algunos de los temas a considerar cuando se habla de in-vestigación en transporte ferroviario. Estos aspectos resultanespecialmente problemáticos cuando se trata de catenarias decorriente continua, es decir, en trenes de cercanías, trenes li-geros y metro. En estos casos, debido a la tecnología de rectifi-cadores de diodos en las subestaciones eléctricas, sólo se per-mite el flujo de potencia desde la red hacia la catenaria y noen sentido contrario. Esto, que por un lado simplifica la su-bestación eléctrica y su conexión a la red de transporte eléc-trico, por otro lado supone la imposibilidad de realizar un fre-nado regenerativo (con devolución de energía eléctrica), con laconsecuente pérdida de energía que ADIF ha estimado quepuede llegar hasta un 20% de la energía consumida.

La primera alternativa a este problema es la revisión de latecnología de las subestaciones, convirtiéndolas en subestacio-nes reversibles que sean capaces de inyectar potencia a la reddesde la catenaria cuando se disponga de una cantidad deenergía procedente del frenado, con lo que se reducirían losproblemas de seguridad eléctrica en el sistema. La segundaalternativa interesante es el almacenamiento de energía lacual permite un escenario de utilización de la energía muchomás amplio [1], pudiendo llegar a entender la subestación fe-rroviaria como una microrred. De esta segunda solución es dela que se hablará más detalladamente en este artículo.

Aplicación de volantes de inerciapara la mejora de la eficiencia

en el transporte ferroviario

MARCOS LAFOZ PASTOR (*), LUIS GARCÍA-TABARÉS RODRÍGUEZ (**) y CRISTINA VAZQUEZ VÉLEZ (***)

THE APPLICATION OF FLYWHEELS TO IMPROVE THE EFFICIENCY IN RAILWAY TRANSPORTATIONABSTRACT The increase of the energy consumption in railway transportation forces a continuous development of the technology inorder to improve the efficiency of trains. One of the ways would be the application of energy storage. Among the different solutions,the use of kinetic energy storage based on flywheels is analyzed. The paper explains the basics of these devices, the types of flywheelsand the important figures of merit. After mentioning some commercial appliances, a run through the developments resulting fromthe collaboration between CEDEX and CIEMAT research groups is carried out, focussing on railway transportation applications.In particular, it is detailed the use of a flywheel for the recuperation of the breaking energy and railway feeder line stabilization in asubstation from ADIF (Railway Infrastructures Manager). The testing facility, the system operation and the experimental resultsare described, as well as an analysis of the system efficiency.

RESUMEN El incremento del consumo energético del transporte ferroviario supone la necesidad de un continuo desarrollotecnológico para mejorar la eficiencia energética de los trenes. Una de las medidas que se pueden tomar es la utilización dealmacenamiento de energía. Dentro de las posibles alternativas que tiene sentido utilizar se analiza el almacenamientocinético de energía basado en volantes de inercia. El artículo explica las bases de funcionamiento de estos dispositivos, lostipos de volantes de inercia y cuáles son sus figuras de mérito. Después de comentar algunas soluciones comerciales exis-tentes se hace un recorrido por los desarrollos que han resultado de la colaboración durante los últimos años de los gruposde investigación del CEDEX y el CIEMAT y concretamente de las aplicaciones a transporte ferroviario. En concreto se expli-ca en detalle la aplicación de un volante de inercia para el aprovechamiento de la energía del frenado y estabilización de lacatenaria ferroviaria en una subestación de ADIF. Se describe la instalación, la operación del sistema y se muestran resul-tados experimentales así como un análisis de la eficiencia del sistema.

51

Palabras clave: Eficiencia energética, Transporte ferroviario, Almacenamiento de energía, Volantes de inercia.

Keywords: Energy efficiency, Railway transportation, Energy storage, Flywheels.

(*) Director de Programa en la Unidad de Ingeniería Eléctrica del CIEMAT.Doctor Ingeniero Industrial por la Universidad Politécnica de Madrid.E-mail: [email protected] (**) Jefe de la Unidad de Ingeniería Eléctrica del CIEMAT. Dr. IngenieroNaval por la Universidad Politécnica de Madrid. E-mail: [email protected](***) Investigadora Titular en la Unidad de Ingeniería Eléctrica delCIEMAT. Doctora en Ingeniería Electrónica por la UniversidadComplutense de Madrid. E-mail: [email protected]


15VOLANTES 20/4/12 14:43 Página 51

2. SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍAIndependientemente de la tecnología de almacenamiento uti-lizada [2][3], cualquier sistema puede especificarse por tresvariables genéricas que, a su vez, están relacionadas entre sí.Estas variables son: la Energía (E) o capacidad, la Potencia(P) o tasa de transferencia de energía y finalmente el tiempode actuación (t) durante el cual el sistema puede estar alma-cenando o liberando energía. Mientras que las dos primerasvariables son independientes, la segunda no es más que el co-ciente entre ambas, aunque suele ser conveniente indicarla deforma explícita.

Una forma muy corriente de visualizar las posibilidades deun sistema de almacenamiento es mediante su diagrama deEnergía-Potencia o diagrama de Ragone (Figura 1) que re-sulta ser una herramienta útil para comparar diferentes tec-nologías de almacenamiento [4]. Consiste, simplemente, endefinir un almacenador por sus dos coordenadas: potencia yenergía y en representar el punto correspondiente en el plano.En la misma gráfica se suelen añadir rectas de diferente pen-diente, es decir diferentes cocientes E/P correspondientes adistintos tiempos de actuación. Los almacenadores cinéticos(también denominados volantes de inercia), por ejemplo, seencuentran en una posición intermedia en estos diagramas(alrededor de la bisectriz), mientras que un sistema basado enbaterías se sitúa más a la izquierda en el diagrama, como in-dica en la misma figura.

El tiempo de actuación de un almacenador de energía per-mite dividir los diferentes sistemas existentes en Sistemas deCorto Plazo (con tiempos del orden de las decenas de segun-dos) y los de Largo Plazo, con tiempos que pueden llegar a va-rios minutos o incluso horas.

La siguiente decisión a tomar es: ¿qué tipo de almacena-miento de energía es más apropiado para una determinadaaplicación? No tiene una respuesta fácil puesto que dependedel problema concreto que se quiera abordar. La mayoría delos trabajos publicados e investigaciones en los últimos añosestán basadas en las tecnologías de baterías [5], ultraconden-sadores (condensadores con capacidad del orden de miles defaradios) pero se pueden considerar otras opciones interesan-tes como volantes de inercia.

Centrándonos en la aplicación de transporte ferroviario,las opciones de almacenamiento a bordo del vehículo suelenser más eficientes teniendo en cuenta que actúan muy cercadel consumo y se pierde menor cantidad de potencia en latransmisión. Por otro lado suponen un peso añadido y un re-

querimiento de espacio del que a veces no se puede disponer,por lo que las aplicaciones de almacenamiento no embarca-das, conectadas a la catenaria ferroviaria, pueden ser una op-ción casi necesaria. De entre este grupo de soluciones, el al-macenamiento cinético de energía basado en volantes deinercia (FESS) resulta una solución atractiva por tres razonesprincipales: que se pueden conseguir elevados niveles de den-sidad de potencia y energía, que el coste total no crece lineal-mente con el nivel de potencia y energía como ocurre, porejemplo, en el caso de las baterías; y que la instalación en unalocalización estática, cercana a la subestación de suministrode la catenaria puede reducir el impacto en la red eléctrica desuministro.

3. ALMACENAMIENTO CINÉTICO DE ENERGÍAEste tipo de sistemas está basado en el almacenamiento ener-gía cinética en un volante de inercia accionado por una má-quina eléctrica que trabaja como motor para acelerarlocuando se quiere acumular energía y como generador parafrenarlo cuando se quiere liberar energía [5]. La cuestión rele-vante en un sistema de almacenamiento es cuánta energía sepuede almacenar por unidad de masa o de volumen (incluso aveces se prefiere por unidad de coste). En el caso particular deun volante de inercia se puede almacenar teóricamente todala energía que se quiera con tal de hacer el volante suficiente-mente grande. La cuestión es hacerlo de forma eficaz y dentrode los límites que permita la tecnología. La resistencia de ma-teriales proporciona dos expresiones muy sencillas y potentesderivadas del cálculo de los esfuerzos centrífugos en un vo-lante en rotación [6]. Estas expresiones para la energía porunidad de masa (eM) y para la energía por unidad de volumen(eV) son:

eM = ζ·σ/ρ (1.a)eV = ζ·σ (1.b)

En estas ecuaciones σ es la carga de rotura del materialdel volante, ρ su densidad y ζ un factor geométrico que de-pende de la forma del mismo (un disco macizo tiene, por ejem-plo, un factor de 0.61 mientras que un anillo lo tiene de 0.30.En el mejor caso se consigue un factor de 0.87). Las fórmulas(1.a) y (1.b) permiten establecer un criterio sencillo para cono-cer cuáles son los materiales óptimos para su utilización envolantes de inercia: aquellos con una elevada carga de roturay baja densidad serán los más adecuados para conseguir ma-yores densidades másicas de energía, mientras que una ele-

APLICACIÓN DE VOLANTES DE INERCIA PARA LA MEJORA DE LA EFICIENCIA EN EL TRANSPORTE FERROVIARIO


FIGURA 1. Diagrama de Ragone de unAlmacenador de Energía.

E

BATERÍAS

CINÉTICOS

tactuación = cte

P


vada carga de rotura permite conseguir elevadas densidadesvolumétricas de energía. La tabla 1 recoge una lista de losmejores materiales para su utilización en volantes junto consus características, incluyendo su densidad de almacena-miento ideal para una geometría en disco [3].

Como puede verse, las mayores densidades por unidad demasa se consiguen con materiales compuestos (idealmente fi-bra de carbono). Si la preocupación es conseguir energía porunidad de volumen, metales como el acero pueden ser tanbuenos como la fibra pero más económicos.

4. TIPOS DE ALMACENADORES CINÉTICOS DE ENERGÍAExisten dos familias de almacenadores cinéticos [7] según lavelocidad de giro. Los primeros son los relativamente lentos(por debajo de las 10.000 rpm). En ellos el volante es metálico ypor lo tanto pesado y suele tener sistemas de levitación magné-tica para aliviado de peso. La primera imagen a la izquierda enla Figura 2 muestra una realización comercial muy conocida devolante metálico (Piller), en la que pueden identificarse todoslos elementos característicos (excluidos los de electrónica de po-tencia), tales como el volante, la máquina eléctrica o el sistemade levitación en la parte superior. Los almacenadores lentosson, en principio, más simples tecnológicamente hablando y suprincipal utilización es en aplicaciones estacionarias, donde elpeso no es un inconveniente. Existe otra familia de almacena-dores, los rápidos cuya velocidad de giro suele superar las10.000 rpm y que utilizan volantes con materiales compositesde fibra de carbono, con muy alta resistencia mecánica y bajadensidad [7]. El alto precio del volante y la dificultad de su fa-bricación hacen que su utilización se restrinja, en general, aaplicaciones de energía limitada y en las que el precio del sis-tema no sea crítico. La Figura 2 muestra un esquema de dos al-macenadores rápidos con volantes de fibra.

El material del que está constituido el volante trabaja a uncierto nivel de esfuerzo mecánico máximo y esto determinaautomáticamente la velocidad como una función de la densi-dad. Así, los materiales ligeros girarán más rápido mientrasque los más pesados lo harán más lentamente [18].

Otro aspecto crucial cuando se diseña un volante deinercia es el comportamiento rotodinámico. De hecho, la di-ferencia más importante de los volantes de inercia frente aotros sistemas de almacenamiento, y algunas veces la razónpara ser rechazados, es la complejidad mecánica. El eje, losrodamientos y la carcasa constituyen una estructura elás-tica que tiende a oscilar en dos modos: modo cónico y modocilíndrico. Habrá que considerar los efectos giroscópicos de-rivados de la dependencia de la frecuencia natural en losdos modos con la velocidad de rotación del volante. Resultaconveniente disponer sensores de temperatura en los roda-mientos y acelerómetros para vigilar posibles problemas deeste tipo.

La Tabla 2 recoge algunas aplicaciones de estos sistemasde almacenamiento. Están clasificadas por sectores y subsec-tores y en la columna de la derecha se relacionan con algunasrealizaciones prácticas en funcionamiento.

El primer grupo corresponde a las aplicaciones del trans-porte, especialmente transporte ferroviario con objeto de esta-bilizar los consumos de las subestaciones, recuperar energíade frenado y aumentar su autonomía en zonas no electrifica-das. También se incluye la aplicación en automóviles eléctri-cos e híbridos. El segundo incluye las de interés en el sectoreléctrico y consisten en sistemas de estabilización de redes entensión y frecuencia [8][9][10]. El problema esencial de estasaplicaciones es el alto nivel de energía almacenada requerido,por lo que dado los límites actuales no queda más remedioque la utilización de varios de estos sistemas en paralelo (ma-trices de almacenadores).



TABLA 1. Materiales paraAlmacenamiento de Energía.

MATERIAL σ (Mpa) ρ (Kg/m3) eM (kJ/Kg)

ACERO (AISI 4340) 1.800 7.800 140

ALEACIÓN (AlMnMg) 600 2.700 135

TITANIO (TiAl62r5) 1.200 4.500 162

FIBRA VIDRIO (60%) 1.600 2.000 485

FIBRA CARBONO (60%) 2.400 1.500 970

FIGURA 2. Almacenador Cinético de Energía lento (Piller) y almacenados rápidos (Urenco, Becon Power y Vycon).

ConfigurationVertical for optimum efficiency

Magnetic BearingFully active 5-axis

RotorIntegral with hub

HousingVacuum environment

StatorDual mode

Motor/Generator

HubAerospace high

performance steel


5. LA EXPERIENCIA RESULTADO DE LA COLABORACIÓNENTRE EL CIEMAT Y EL CEDEX

Desde 1999 los centros de investigación CIEMAT y CEDEXhan venido colaborando en el desarrollado de la tecnología desistemas de almacenamiento cinético de energía lento (7.000rpm), incluyendo la electrónica de potencia, el control y la inte-gración en red. Tanto para su aplicación para renovables, comoes el caso del proyecto SEDUCTOR [11], como más tarde parael Administrador de Infraestructuras Ferroviarias (ADIF) conaplicaciones a la gestión de la energía consumida en la líneasde Alta Velocidad (Proyecto ACE2) [12]. La Figura 3 presentala evolución de los prototipos con los que ha trabajado desde elaño 1999, cuando se comenzó con un pequeño prototipo de má-

quina de alta velocidad y su electrónica de potencia, hasta elsistema desarrollado en CIEMAT recientemente para aplica-ciones relacionadas con energías renovables.

Aunque con el proyecto ACE2, antes mencionado, estos sis-temas fueron concebidos inicialmente para alisar el consumoeléctrico en las subestaciones de Alta Velocidad, finalmente sedecidió que era más conveniente utilizarlos para la recupera-ción de la energía de frenado de los trenes en líneas de cerca-nías con catenaria de continua, donde no es posible la inyec-ción de potencia en la red. Este trabajo se comenzó en 2006dentro de un Proyecto Singular Estratégico (PSE) del enton-ces Ministerio de Ciencia e Innovación, denominado SA2VE ymás concretamente dentro de uno de sus subproyectos, el FE-RRO_SA2VE, titulado Sistemas Avanzados de Almacena-



TRANSPORTE

TRENES PESADOS Urenco (N.York), Piller (Hannover),CIEMAT (ADIF), Univ Texas

TRENES LIGEROS Urenco (Lyon)

TRANVÍAS, TROLEBUSES CCM (Holanda), AFS Trinity (USA),Magnet-Motor(Alemania)

AUTOMÓVILES AFS Trinity (USA)

POTENCIA

ESTABILIZACIÓN DE FRECUENCIA Beacon Power (DOE)

RENOVABLES Urenco (Fuji), CIEMAT

UPS Bancos, Aeropuertos, Hospitales,Instalaciones Militares, Cargas Críticas

Urenco, Pentadyne, Active Power,Piller, Liebert, Vycon

TABLA 2. Aplicaciones de los volantesde inercia.

FIGURA 3. Evolución de los desarrollos con volantes de inercia en los que han colaborado CIEMAT y CEDEX.

Primer prototipo deAlmacenador Cinético

de Energía (1999)SEDUCTOR Aplicación

Generación EólicaAislada 2001

2011 ACEBO:Aplicación en

renovables y SmartGrid

2010 SA2VE: Ensubestación ferroviaria

OMEGA MOTOR

ENERGÍA TOTAL –

POTENCIA TOTAL 120 kVA

TENSIÓN D. C. 1000 V

RPM 9.600

OMEGA

ENERGÍA TOTAL 5MJ



RPM 9.600

OMEGA-PLUS ACE2

ENERGÍA TOTAL 200MJ



RPM 6.500

ACEBO

ENERGÍA TOTAL 10MJ

POTENCIA TOTAL 25 kW


RPM 13.000


miento de Energía: Aplicaciones al Transporte Ferroviario. Elobjetivo del subproyecto [13] era la instalación de un almace-nador cinético de energía en una subestación ferroviaria decorriente continua para estabilizar la tensión de catenaria yaprovechar la energía procedente del frenado de los trenes.Este proyecto ha reunido a centros tecnológicos de prestigiocomo el CEDEX y el CIEMAT, al entorno universitario (Uni-versidad de Sevilla) y a empresas nacionales del sector eléc-trico y energético (Elytt Energy, GreenPower e Inabensa).

6. DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA UTILIZADALa solución desarrollada para ADIF está basada en un vo-lante de inercia de acero forjado de alta resistencia, de 6 tonde peso, capaz de girar a una velocidad de 6500 rpm, con unacapacidad de almacenamiento de energía de 200 MJ (55kWh). La parte mecánica está formada por cojinetes cerámi-cos convencionales, aunque dada la carga axial y velocidad derotación tan elevadas se ha dispuesto un sistema de levita-ción magnética mediante imanes permanentes y un electroi-mán adicional para dar capacidad de regulación, reduciendode esta forma el esfuerzo axial del volante y por tanto el di-mensionado de los rodamientos. La máquina eléctrica quesirve para acelerarlo o frenarlo (dependiendo de si se quierealmacenar energía o liberarla) es una máquina de reluctanciaconmutada [14] de 350 kW que gira a la misma velocidad queel volante. Esta máquina se une con la red eléctrica medianteuna serie de equipos de electrónica de potencia que se encar-gan de adaptar los niveles de tensión y frecuencia adecuadasentre la alimentación de la máquina [15] y la red a la que seconecta el sistema. Un hardware de control desarrollado deforma específica en CIEMAT para esta aplicación y basado enmicroprocesadores se encarga de controlar todos los dispositi-vos electrónicos [16] y comunicar con el centro de mando deADIF desde donde se puede comandar el sistema.

El sistema desarrollado para esta aplicación presenta una se-rie de ventajas frente a otros dispositivos comerciales, como sonla simplicidad y la robustez, y se ha concebido con el objetivo deser una tecnología competitiva frente a otras tecnologías comoson las baterías químicas y los ultracondensadores. La tecnolo-gía es completamente propia (la máquina eléctrica, el volante deinercia, la electrónica de potencia y el control), siendo los mate-riales utilizados para la fabricación materiales convencionales.

7. ETAPA DE PRUEBAS DEL PROYECTO FERRO_SA2VE ENLABORATORIOS CEDEX

La primera parte del desarrollo experimental del proyecto sellevó a cabo en los laboratorios del CEDEX, concretamente enel Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF), dondese desarrolló un emulador de catenaria ferroviaria con lasmismas condiciones de tensión que la catenaria ferroviaria(3600 V de tensión continua) donde se instalaría el sistema deforma definitiva. Para ello se utilizó un transformador de po-tencia y un rectificador de 12 pulsos. De esa forma, los equi-pos que conectarían el volante a la catenaria se podrían pro-bar en condiciones nominales.

La Figura 4 presenta un esquema de los equipos que sehan utilizado para las pruebas. Así, un convertidor DC/DC co-necta con el emulador de catenaria y absorbe potencia que esalmacenada en el volante de inercia. Un segundo convertidor(CLM) es el encargado de alimentar la máquina eléctrica deforma adecuada para conseguir los modos de operación desea-dos, de forma que su funcionamiento sea óptimo. Para la libe-ración de la energía del volante, y dado que el emulador de ca-tenaria no es capaz de trabajar en los dos sentidos, se dispusoun convertidor auxiliar (CLR) que conectaba con la red al-terna para poder liberar la potencia a través de él. Tambiénsirve este dispositivo como camino alternativo de descarga deenergía cuando no esté accesible el convertidor de catenaria y



FIGURA 4. Esquema de pruebas del sistema completo en el laboratorio del CEDEX.

Red 400V

400/1200V400kVA

SeccionadorBT

Disyuntor

CLR (DC/AC)

CLM (DC/AC)

SRM+Flywheel

Centro de InvestigacionesEnergéticas, Medioambientales

y Tecnológicas

DC/DC3500 V

700 V

Rectificador diodos 12pulsos


sea necesario frenar el volante. Adicionalmente se vio utilidada este convertidor para comunicar la catenaria directamentecon la red, pudiendo hacer una transferencia directa de po-tencia hacia la misma, con vistas a la alimentación de cargasen alterna a partir de la disponibilidad de potencia en catena-ria o de la potencia almacenada en el volante.

Como resultados experimentales de las pruebas en el labo-ratorio del CEDEX, la Figura 5 presenta las formas de ondade dos de las fases de la máquina eléctrica (parte superior) enmodo generador (liberando energía) sobre la red de alterna através del convertidor auxiliar, aprovechando la energía acu-mulada para atender un determinado consumo eléctrico en lared por ejemplo. En la parte inferior de la Figura 5 se mues-tran las formas de onda de tensión y corriente en la red.

8. DEFINICIÓN DE LA EFICIENCIA COMO FIGURA DEMÉRITO DE UN ALMACENADOR CINÉTICO

Uno de los puntos más importantes y demandados cuandose plantean este tipo de tecnologías es: ¿cuál es su eficien-cia? Para ello, hay que considerar que la energía liberadahay que almacenarla, luego se mantendrá un tiempo alma-cenada y finalmente será liberada. En estos tres procesos in-tervienen una serie de pérdidas: en los rodamientos, porefecto aerodinámico, en el cobre de las bobinas de la má-quina, en la chapa magnética de la máquina, en el resto deconductores del sistema y en la electrónica de potencia. Des-pués de analizar la contribución de todas ellas (por ejemplo,las pérdidas en el cobre son menores del 1% al ser la co-



FIGURA 5. Formas de onda decorriente en la máquina y tensión

y corriente en la red.

FIGURA 6. Ensayos de par derozamiento aerodinámico a distintaspresiones.

Tek Stop

1.00 V500 mV

2.00 V1.00 V

10.0ms0.00000 s

100kS/s10k points –120mV

28 Apr 200912:21:18

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000

30

25

20

15

10

5

0

Velocidad (rad/s)

Par [

Nm

]

Par de Rozamiento

940 mbar700 mbar500 mbar300 mbar100 mbar1 mbar


rriente de 600 A y la resistencia por fase de 5.2 mΩ) se hallegado a la conclusión de que las pérdidas más importantesson las pérdidas mecánicas (cojinetes y aerodinámicas).Para minimizar estas pérdidas se han considerado dos medi-das importantes. La primera es la utilización de levitaciónmagnética para aliviar la carga axial de los cojinetes, lo cualreduce en cierta medida las pérdidas en los mismos. Aúnasí, las pérdidas más apreciables son las debidas al roza-miento aerodinámico del volante con el aire. La forma de re-ducir estas pérdidas es evitando turbulencias en el volante yreduciendo la presión del aire circundante. La curva de laFigura 6 presenta la reducción que se consigue en las pérdi-das aerodinámicas al disminuir la presión del aire en el in-terior del almacenador. Por desgracia, la capacidad de redu-cir la presión no es únicamente un problema de una bombade vacío más costosa y de tolerancias de fabricación del dis-positivo sino principalmente un problema de aislamientoeléctrico. Debido a que las bobinas de la máquina están enla misma carcasa que el volante, están sometidas a lamisma presión. Según la Ley de Paschen [17] al reducirse lapresión se reduce también la tensión de ruptura dieléctrica,lo cual exige que para la tensión de operación de 800 V utili-zada en la máquina se aumente el aislamiento eléctrico querodea las bobinas, para lo cual hay que disponer de tecnolo-gías más costosas y no convencionales. Otro problema deri-vado de trabajar a presiones bajas es la reducción de la ca-pacidad de evacuación de calor por convección. Esto suponeun problema para la refrigeración de la máquina eléctrica,lo cual puede llegar a limitar el número de ciclos de carga-descarga continuos que puede ofrecer el sistema.

Para el prototipo desarrollado en esta aplicación se ha defi-nido un nivel de presión interna de 100 mbar, que consigueun compromiso entre unas pérdidas aerodinámicas bajas y laseguridad de que no se produzca ruptura dieléctrica en las bo-binas de la máquina. No obstante, en las situaciones en las

que se prevé que el volante no va a intercambiar potencia (porejemplo por las noches, cuando no hay circulación de trenes)se reduce la presión hasta 1 mbar con lo que se consigue redu-cir al máximo las pérdidas del sistema.

El almacenador mantendrá una velocidad o estado de con-signa que dependerá de los criterios de operación o funcionali-dad que se le quiera dar. En el caso que nos ocupa, el volantese encuentra a la velocidad más baja del rango de operación(2000 rpm) a la espera de que llegue un tren y frene. En esecaso absorbería la energía del frenado y aumentaría con ellosu velocidad para seguidamente devolverla, un cierto instantedespués, con lo que la velocidad vuelve a reducirse. Dicha ope-ración se muestra en la Figura 7.

Para conseguir que la velocidad permanezca en torno a undeterminado valor, dado que tenderá a caer pasado untiempo, por pérdidas de energía, habrá que recuperar la velo-cidad mediante un pequeño aporte de potencia. La Figura 8presenta la evolución de las velocidades en el tiempo juntocon los aportes de potencia.

La expresión (2) sirve para calcular la potencia media con-sumida por el almacenador para mantenerse a la espera entorno a un valor constante de velocidad a lo largo del tiempo.Se miden los consumos de potencia durante los tiempos enque se acelera dividiendo entre los tiempos totales de cada ci-clo. Por ejemplo, para mantener el volante girando a la veloci-dad mínima de 2000 rpm se necesita una potencia media de4 kW, lo cual supone un rendimiento del 98% a una presión de150 mbar.

(2)

Pm

u i dt

t tlossest

t

k km cycles

k

k

= ⋅

⋅( )

−

⎛

⎝

⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎞

⎠

⎟⎟⎟⎟⎟⎟

+

∫∑

+

1 1

2( )



FIGURA 8. Mantenimiento de lavelocidad alrededor de la velocidad enespera y consumos de potenciaasociados.

FIGURA 7. Perfil de funcionamiento velocidad-tiempo.

velocidad 3.500 rpm

2.000 rpm

t

Ω

t

Maximun speed

Recovery speed

P


9. PUESTA EN MARCHA EN LA SUBESTACIÓN DE CERRONEGRO DE ADIF

La puesta en marcha del sistema se realizó en la subestaciónferroviaria de Cerro Negro, en Madrid, propiedad de ADIF. Seinstalaron los sistemas de la misma forma que se habían pro-bado en el laboratorio del CEDEX, siguiendo el esquema quepresenta la Figura 9.

El volante de inercia, por cuestiones de seguridad, se ins-taló en un foso de protección situado en el parque de alta ten-sión de la subestación. Los equipos de electrónica de potenciay control se situaron en el edificio de la subestación, dondeestá el puesto de control del sistema, aunque no es necesariooperarlo desde allí sino que se puede acceder mediante unaconexión remota desde el centro de control de subestacionesde ADIF. Las Figura 10 muestra algunas imágenes de losequipos instalados en la subestación.

El modo de operación automático del sistema consideracomo variables de control la corriente consumida por la cate-naria desde una subestación y la tensión de la catenaria y enfunción de ellas se definen los modos de funcionamiento delalmacenador, según se muestra en la Figura 11.

Si la corriente consumida desde la subestación es nula y latensión de catenaria supera un cierto límite superior es señalde que un tren está devolviendo energía a catenaria por loque sube la tensión de la misma al no poderse drenar a la red.En este caso el volante debe almacenar dicha energía. Si latensión está por debajo de un cierto límite y se mide un ciertoconsumo de corriente desde la subestación es señal de que untren está demandando un aporte de potencia. En este caso, ysi el almacenador está disponible (nivel de carga suficiente),le aportará energía con lo que se reducirá el consumo desde lared. El resto de situaciones harán que el volante quede a laespera de utilizarse.

Las Figuras 12 y 13 presentan resultados obtenidos con elalmacenador en sus pruebas en la subestación. La Figura 12presenta el entorno de control y monitorización desde el quese realiza el seguimiento de las condiciones de operación delsistema de almacenamiento cinético (izq.) y un muestreo de latensión de catenaria y la corriente inyectada por el sistema dealmacenamiento en una serie de pruebas de absorción e in-yección de potencia (dcha.). La Figura 13 presenta resultadosde las corrientes que maneja la máquina eléctrica trabajandoen modo motor (modo almacenamiento), en modo generador(modo recuperación) y una transición entre un estado de es-pera y una absorción de potencia, la cual se produce en unospocos milisegundos, siendo la variación de la tensión en la



FIGURA 9. Esquema de conexión de losequipos en la subestación de ADIF deCerro Negro (Madrid).

FIGURA 10. Esquema de conexión de los equipos en la subestación deADIF de Cerro Negro (Madrid).

230V

400V

750V

catenariaDC/DC

CLR (DC/AC)

CLM (DC/AC)

SRM+Flywheel


etapa de continua menor del 10%, lo cual es un valor total-mente aceptable para la dinámica eléctrica del sistema.

En el escenario actual, la potencia que maneja el volantede inercia no es suficiente para realizar ninguna compensa-ción de los valores de tensión de catenaria de forma aprecia-ble porque los niveles de potencia necesarios serían muchomayores. Se ha instalado esta primera máquina a nivel de-mostrativo y para validar el sistema de almacenamiento con-siderado como tal como todos los subsistemas que lo compo-nen (mecánicos, eléctricos, electrónicos, de control, deinstrumentación y de comunicaciones).

10. LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓNDado el interés creciente de la tecnología de los volantes deinercia, no sólo en el sector del transporte sino también en elsector de la generación de energía, y teniendo en cuenta elamplio recorrido que tiene por delante para la mejora tecnoló-gica y la identificación de aplicaciones donde resulten una so-lución interesante, el CIEMAT ha apostado por continuar conla investigación en este tipo de dispositivos. Se han identifi-cado las siguientes líneas de trabajo: posibilidad de situar lamáquina a presión atmosférica y el volante a presión redu-cida, reducir el coste de los materiales y de fabricación, inte-grar la electrónica de potencia y el control en el propio dispo-sitivo y buscar el concepto de modularidad que permita dar ladimensión adecuada para cada aplicación, dependiendo de

sus niveles de potencia y energía; y en este sentido ya se estádesarrollando la siguiente generación de volantes de inerciaque se ha denominado ACEBO (almacenador cinético de ener-gía de bajo coste) que cumple con los requisitos anteriores.

11. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1] Hentschel, F.; Müller, K.; Steiner, M.; “Energy Storage onUrban Railway Vehicles”. Proceedings of the UIC Energy Effi-ciency Conference, Paris, 2000.[2] Ribeiro, P.F.; Johnson, B.K.; Crow, M.L.; Arsoy, A.; Liu,Y.;“Energy Storage Systems for Advanced Power Applications”.Proc. of the IEEE, Dec 2001, Vol 89, pp. 1744-1756.[3] Ruddel A. Investigation on Storage Technologies for Inter-mittent Renewable Energies: evaluation and recommendedR&D strategy. Storage Technology Report. ST6: Flywheels.2003.[4] Ter-Gazarian, A. Energy Storage for Power Systems. PeterPergrinus .London 1994.[5] David Linden, Thomas B. Reddy Handbook of Batteries.MacGraw-Hill Handbooks.[6] Genta, G. Kinetic Energy Storage. Butterworths. 1985.[7] Hebnert, R; Beno, J.; Walls, A. Flywheel Batteries ComeAround Again. IEEE Spectrum, p. 46-51. April 2002.[8] Kirby, B. Frequency Regulation Basics and Trends. Power



FIGURA 11. Evolución de latensión de catenaria y

corriente consumida paradeterminar modos de

operación.

FIGURA 12. Entorno de monitorización y registro de la tensión de catenaria y corriente intercambiada por el almacenador con la catenaria ferroviaria.

Icat

Ucat

Modo de operaciónalmacenamiento:

recuperar energía del frenado

Modo de operaciónaporte de energía:

reducir consumo de lared


System Research Program. Oak Ridge National Laboratory.Julio 2004.[9] Rojas, A. Integrating Flywheel Energy Storage Systems inWind Power Applications Beacon Power Corp. WindPower 2003.

[10] Federal Energy Management Program. Flywheel EnergyStorage: An Alternative to batteries for uninterruptible Po-wer Supply Systems. DOE/EE-0286.[11] Iglesias, I.J.; García-Tabarés, L.; Agudo, A.; Cruz,I.; Arri-bas,L.; Design and Simulation of a Stand-Alone Wind-DieselGenerator with a Flywheel Energy Storage System to Supplythe Required Active and Reactive Power. Power ElectronicsSpecialists Conference, 2000. [12] Lafoz, M., Vázquez, C., “The ACE2 System: A KineticEnergy Storage for Railway Substations”. Procs. ElectricalEnergy Storage Applications and Technologies Conference(EESAT). 2007.[13] M. Lafoz, C. Vázquez, J.I. Iglesias. DC railway catenaryregulation based on KESS. Proceedings of the Energy StorageApplications and Technologies Conference (EESAT) Seattle(EE.UU). 4-7 October 2009.[14] Miller, T.J.E.; “Switched Reluctance Motors and theirControl”. Magna Physics Publishing and Clarendon Press.Oxford 1993.[15] Barnes, M.; Pollock, Ch.; “Power Electronics Convertersfor Switched Reluctance Drives”. IEEE Transactions on Po-wer Electronics, Vol. 13, Nº 6, pp. 1100-1111, November 1998.[16] Vázquez, C.; Lafoz, M.; Ugena, D.; García-Tabarés, L.;“Control System for the Switched Reluctance Drive of a Flyw-heel Energy-Storage System”. European Transactions onElectrical Power. Wiley-Interscience. 2007.[17] Paschen, F.; “Uber die zum Funkenübergang in Luft,Wasserstoff und Kohlensaüre bei verschiedenen Drucken er-forderliche Potentialdifferen”z. Ann. Phys. Chem, Ser. 37, 69-96. 1889. F. Paschen, Wied. Ann., 37, 69.[18] [(2008) Understanding Flywheel Energy Storage: DoesHigh Speed Really Imply a Better Design?. White Paper 112.Active Power. www.activepower.com.Otros enlaces de interéshttp://www.sa2ve.es/home.asp http://www.ciemat.es/portal.do?IDM=9&NM=2http://www.activepower.comhttp://www.afstrinity.comhttp://www.beacopower.comhttp://www.magnet-motor.dehttp://www.pentadyne.comhttp://www.piller.comhttp://www.vyconenergy.com



FIGURA 13. Corrientes en la máquina eléctrica del almacenador: modomotor, modo generador y transición de espera a modo motor.


Hardware in the loop - Automatizaciónde ensayos y la acreditación de acuerdo

a la norma DIN EN ISO/IEC 17025

Hardware in the loop -Test Automation and the

DIN EN ISO/IEC 17025 Accreditation

61

(*) DLR - German Aerospace Center, Institute of Transportation Systems - Railway Systems. Dipl.- Inform., Head of RailSiTe® laboratory. E-mail: [email protected] (**)DLR - German Aerospace Center, Institute of Transportation Systems - Railway Systems. Dipl.- Ing., Scientific Staff. E-mail: [email protected] (***) DLR - German Aerospace Center, Institute of Transportation Systems - Railway Systems. Dipl.- Math., Scientific Staff. E-mail: [email protected] (****) DLR - German Aerospace Center, Institute of Transportation Systems - Railway Systems. Dipl.- Inform., Scientific Staff. E-mail: [email protected]


1. INTRODUCCIÓNEl Sistema Europeo de control de trenes (ECTS) se está im-plantando actualmente en bastantes proyectos de países euro-peos con el fin de sustituir los más de 20 sistemas nacionalesde señalización existentes. El objetivo del ETCS es permitir losmovimientos ininterrumpidos de los trenes en los puntos trans-fronterizos, y posibilitar un mercado abierto para la industriade la señalización en el desarrollo de equipos interoperablesembarcados y de vía. Los diferentes fabricantes proporcionanelementos interoperables, ya sea para su instalación a bordodel material rodante (componentes OBU) o los Centros de Blo-queo por Radio (RBC). Dichos elementos deben satisfacer losrequisitos técnicos específicos de la línea, así como los operacio-nales, además de ser elementos compatibles con otros equipa-mientos utilizados en el tren. El DLR dispone de un laborato-

LARS EBRECHT (*), LENNART ASBACH (**), CLEMENS PREUK (***) e INGO STEINHÄUSER (****)

ABSTRACT The test specification of the European Train Control System (ETCS) is quite extensive and therefore the DLR hasstarted with the Test Automation of the execution, validation and reporting of whole test process. In this article we will givea brief overview of the automation status in the laboratory RailSiTe® and highlight the benefit of the automation duringthe accreditation process towards the DIN EN ISO/IEC 17025.

HARDWARE IN THE LOOP - AUTOMATIZACIÓN DE ENSAYOS Y LA ACREDITACIÓN DE ACUERDO ALA NORMA DIN EN ISO/IEC 17025RESUMEN Las especificaciones de los ensayos relativos al Sistema Europeo de Control de Trenes (ETCS, European TrainControl System) son bastante extensas, por lo que el DLR ha emprendido la Automatización de todo el proceso, tanto en loque se refiere a la ejecución de los ensayos, como su validación y la presentación de informes. En este artículo se repasarábrevemente el actual estado de esta automatización en el Laboratorio RailSiTe ® y se pondrán de relieve los beneficios dela automatización en el proceso de acreditación de acuerdo a la norma DIN EN ISO / IEC 17025.

Palabras clave: ETCS, ERTMS, Automatización de ensayos, Hardware in the loop, DIN ISO 17025, RailSiTe ®.

Keywords: ETCS, ERTMS, Test Automation, Hardware in the loop, DIN ISO 17025, RailSiTe®.

1. INTRODUCTION

The European train control system (ETCS) is currentlybeing implemented in several independent projects in theEuropean countries in order to substitute the more than20 existing proprietary national signaling systems. Thetarget of ETCS is to enable seamless cross border trainmovements as well as an open market concerning compe-ting signaling industries for the development of interope-rable train- and trackside equipments. Different manu-facturers provide ETCS components i.e., on-board units(OBU) or Radio Block Centers (RBC) which need to coverthe technical, line-specific and operational requirementsas well as to be compatible with the other components

16HARDWARE 20/4/12 15:25 Página 61

rio, llamado RailSiTe® –Railway Simulation and Testing–, quepermite la simulación de la circulación de los trenes con el finde realizar estudios técnicos para el nuevo sistema de controlferroviario ETCS. Básicamente, este Laboratorio consta de 5partes principales. La consola de conducción y un sistema de vi-sualización permiten la investigación de factores humanos. Unconmutador RDSI real, un simulador de un enclavamiento y elsistema de Bloqueo por Radio (RBC) pueden ser utilizados paralos ensayos de interoperabilidad, escenarios operacionales opara evaluar la conformidad para el uso. Todos los módulos ne-cesarios para el sistema de control del tren se instalan por se-parado (Principio de hardware/software in the loop, esto escombinación de equipos reales y simulaciones de equipos) parapermitir la posibilidad de intercambiar los componentes relati-vos a las aplicaciones con equipos reales, por ejemplo, un verda-dero RBC puede ser usado a través del conmutador RDSI y en-sayar el componente en el circuito sobre una vía virtual.Evidentemente, la simulación no se limita a un determinadocomponente o equipo real, con lo que la cantidad de equipos re-ales a simular puede ser mayor.

El RailSiTe® (Fig 1) está acreditado bajo la norma DINEN ISO / IEC 17025 para la realización de la evaluación a tra-vés de las interface Europeas de la conformidad o idoneidadpara el uso y la interoperabilidad de los OBU (OBU: EquipoEmbarcado ETCS ) mediante la simulación de casos específi-cos (por ejemplo, el especificado en el Subset-076 de la Direc-tiva Europea).

2 MATERIAL Y MÉTODOSEl objetivo principal del ETCS es sustituir todos los sistemasde señalización europeos y establecer un marco que permita lacirculación ininterrumpida de los trenes con una misma tecno-

HARDWARE IN THE LOOP - AUTOMATIZACIÓN DE ENSAYOS Y LA ACREDITACIÓN DE ACUERDO A LA NORMA DIN EN ISO/IEC 17025


utilized in the train. The DLR operates a laboratory, ca-lled RailSiTe® –Railway Simulation and Testing–, whichenables the simulation of train movements in order toperform operational and technical studies for the newtrain control system ETCS. Basically it consists 5 mainsimulation parts. A Drivers Desk and a visualization soft-ware allows researching rail human factors. A real ISDNswitch and an interlocking and RBC simulation can beused for interoperability tests for operational scenarios orfunctional conformity tests. All modules necessary for thetrain control system are implemented separately (Hard-ware/Software-in-the-loop principle) to enable the possi-bility of interchanging software components with realhardware e.g., a real RBC can be called via the ISDN-Switch and test the hardware-in-the-loop on a virtualtrack. Of course the simulation is not limited to one realhardware component, thus the ammount of real hardwarecan be increased.

The RailSiTe® (Fig 1) is accredited under DIN ENISO/IEC 17025 for the proof of technical functional confor-mity and interoperability of the trainsided OBUs over phy-sical Interfaces by the simulation of specific events (e.g.specified in the Subset-076).

2. MATERIAL AND METHODS

The main goal of ETCS is to substitute all European sig-nalling systems and to establish a framework allowing se-amless cross border train movements using one and the

FIGURA 1. RailSiTe ® delDLR/RailSiTe® of the DLR.


logía y equipos, así como permitir un mercado abierto para lasempresas que compiten en la señalización ferroviaria para eldesarrollo de equipos de vía y equipamientos del tren, compa-tibles.

Para poder validar la conformidad funcional y la interope-rabilidad de los OBU, se podrían hacer ensayos en una víareal, pero los costes y el esfuerzo serían demasiado elevados.Los ensayos funcionales son simulaciones de situaciones posi-bles que pueden tener lugar durante los recorridos del tren,que se especifican en el Subset-076 [1], publicado por la Agen-cia Ferroviaria Europea (ERA). Estos recorridos incluyen si-tuaciones extraordinarias que pueden, aunque en ocasionesexcepcionales, aparecer durante el funcionamiento normal yque dan lugar a retrasos, fallos o incluso accidentes [2]. Sibien, puede ser muy difícil recrear estas situaciones en unacampaña de ensayos de campo, si pueden simularse con mayorfacilidad en el laboratorio.

Estas pruebas deben ser realizadas en un laboratorio do-tado de una arquitectura conforme a la especificación de la ar-quitectura de referencia definida en el Subset-094 [3]. Los re-sultados de los ensayos demuestran si el OBU está en líneacon las especificaciones técnicas definidas en Subset-026 [4].

El ensayo es de larga duración, aproximadamente 3 meses,y actualmente se realizan manualmente, por lo tanto, es obvioque una automatización del proceso reduciría tiempo y es-fuerzo, y también mejoraría la calidad de los resultados obte-nidos.

En los capítulos siguientes se van a describir los avancesconseguidos y el estado actual de la Automatización de los En-sayos de los OBU en el DLR RailSiTe® y, se pondrán de mani-fiesto las ventajas y los retos que han surgido durante el desa-rrollo de este proceso. Se evidenciará también que laAutomatización de Ensayos es esencial para el proceso deacreditación ISO 17025.

2.1. CONCEPTOS BÁSICOS Y EL ENFOQUE GENERALCon el fin de realizar ensayos funcionales que cubran todas lasespecificaciones técnicas del sistema se elaboró la referencia delSubset-076. El objetivo de este documento es la definición de un



same technology and equipment as well as to allow anopen market concerning competing signalling industriesfor the development of equivalent train- and tracksideequipments.

In order to validate the functional conformity and inte-roperability of the OBU they can be tested on a real trackbut the costs and effort are very high. The functional testsare simulations of possible situations that can take placeduring train trips, which are specified in the so called Sub-set-076 [1] released by the European Railway Agency(ERA). These virtual train trips include also very rare si-tuations that can - although very seldom - appear duringnormal operation and result in delays, failures or even ac-cidents [2]. While it can be quite difficult to recreate thesesituations in a field test campaign, they can easily be si-mulated in the laboratory.

These tests have to be performed in a laboratory confor-mant to the reference laboratory architecture specificationSubset-094 [3]. The test results attest if the OBU is in linewith the technical system requirement specification Sub-set-026 [4]. The test process takes a lot of time, approxima-tely 3 months, and is currently done manually therefore itis obvious that a possible automation will reduce the timeeffort and also improves the quality of the received results.

In the following chapters we will describe our approachand current status of the Test Automation of OBU-Tests inthe DLR laboratory RailSiTe® and highlight the benefitand the challenges that have risen during the creation pro-cess. It will be also shown that the test automation was es-sential for the ISO 17025 accreditation process.

2.1. BASICS AND THE GENERAL APPROACH

In order to perform functional tests covering the whole sys-tem requirements specification the Subset-076 was crea-ted. The goal of this specification is to be able to create a

FIGURA 2. Especificaciones de los requisitos del Sistema ETCS - Subset-026/ETCS System requirements specification - Subset-026.


ensayo de referencia que garantice la cobertura completa de to-dos los requisitos técnicos del Subset-026. La Fig. 2 muestrapartes de esta especificación técnica del sistema ETCS.

La Fig. 3 ofrece una visión básica de cada uno de los pasosde un proceso de ensayo genérico utilizado por el DLR para laspruebas operacionales y técnicas.

La metodología general del ensayo consta de tres fases, unaprimera fase que consiste en la realización del ensayo, una se-gunda fase que consiste en el análisis de toda la informaciónobtenida y, por último, la generación de informes.

El primer paso consiste en extraer de la especificación téc-nica del sistema sus características funcionales. Esto se rea-liza mediante la construcción de bloques funcionales basadosen uno o más requisitos técnicos. A continuación, para cada ca-racterística, los expertos definen uno o más casos de prueba.Se utilizan tanto ensayos de resultado positivo como negativo,dependiendo de la característica y funcionalidad ensayada. Es-tos casos de ensayo constan de varios pasos individuales queafectan una única interfaz cada uno (por ejemplo, la interfazCondutor / Máquina (DMI), el odómetro, los datos de baliza,GSM-R, ..) Los ensayos y sus pasos se encuentran en un for-mato genérico, es decir, que describen actividades generalesdurante el ensayo, pero necesitan ser particularizados con lainformación específica de cada caso. (ver Fig. 4.). Los paráme-tros específicos se añadirán en un tercer paso durante la ejecu-ción del ensayo. Cada secuencia de ensayos es una concatena-ción de cientos de casos de prueba con sus pasos. Hay quetener en cuenta que muchos ensayos se pueden utilizar en di-ferentes niveles o modos ETCS, por lo que el contenido de al-gunos pasos a lo largo del ensayo, como los telegramas emiti-dos por una baliza o por radio, necesitan ser configuradosadecuadamente dentro del conjunto de la secuencia.

La realización de ensayos - segunda fase - es solicitada porla industria y llevada a cabo por laboratorios independientescomo el CEDEX, Multitel y el DLR. En la actualidad, esto im-plica la realización de 93 Secuencias de Ensayo que incluyenmás de 1600 pasos y pueden tardar hasta 80 minutos cada se-cuencia. Este proceso consume mucho tiempo y esfuerzo y porlo tanto, se convierte en un gran candidato para ser automati-zado. Durante la realización de los ensayos, todos los estímulosenviados al objeto testado y sus respuestas se registran, enfunción de la complejidad y la duración de la secuencia de en-sayo (que puede durar más de una hora), los datos registradospueden alcanzar hasta un gigabyte de memoria (Registradordel Laboratorio, Unidad de Registro Jurídico del equipo em-barcado (JRU), flujo de vídeo en la pantalla del interfaz Con-ductor / Máquina).



consistent test reference and to ensure to full coverage ofall the requirements. Fig. 2 shows parts of the ETCS sys-tem requirement specification documents.

Fig. 3 gives a rough overview of the single steps of thegeneric test process used by the DLR for operational andtechnical tests.

The overall test methodology has three phases. Test cre-ation is succeeded by the actual test execution and the testanalysis and report generation.

The first step is to extract functional features from thesystem requirements specification. This is done by buil-ding functional blocks based on one or more requirements.For every feature experts define one or more test cases inthe second step. Both, positive and negative tests are used,depending on the feature and its tested functionality.These test cases consist out of several single steps and co-ver one single interface each (e.g. driver machine interface(DMI), odometry, balise data, GSM-R, ..). The test casesand their steps are in a generic format, meaning that theydescribe the general activities during the test, but need tobe parameterized with context-specific information (seeFig. 4). The concrete parameters will be added in the thirdstep during the test implementation. Each test sequence isa concatenation of hundreds of single test cases and theirsteps. Since many test cases can be used in different ETCSmodes or levels, the content of several steps, like balise orradio data, need to be configured properly to the context ofthe whole sequence.

The actual test execution – phase two – is commissio-ned by the industry and performed by the independent la-boratories at CEDEX, Multitel and DLR. Currently thisimplies the execution of 93 test sequences that includeover 1600 test steps and may take up to 80 minutes. Thisprocess is very time and effort consuming and thereforeand excellent target for automation. During the test exe-cution, all stimuli sent to the test object and its reactionsare being recorded - depending on the complexity and du-ration of a test sequence (which can take over an hour) -this means up to a gigabyte of recorded data (laboratorylog, Juridical Recording Unit (JRU) log, DMI videostream).

FIGURA 3. Descripción general del proceso de ensayo genérico/Overview of the generic test process.

Testreport

Analysis ofRequirements

Technical andOperationalSpecification

TestcaseCreation

TestExecution

TestExecution

Test ResultEvaluation andDocumentation

Test Creation Test Execution Test Report Creation

§§


En la fase de generación de informes, los archivos y la in-formación obtenidos son analizados por expertos en diferentesámbitos. Después de la evaluación del ensayo se crea un in-forme para el cliente de forma automática.

2.2. PLATAFORMA Y HERRAMIENTA INDEPENDIENTE PARATRATAMIENTO DE LOS DATOS DEL ENSAYO

Las especificaciones publicadas por la ERA emplean archivosde Microsoft Word y bases de datos de Access. Estos formatosson de pago y usan aplicaciones específicas y por lo tanto, po-drían complicar el tratamiento posterior de los archivos en elproceso de automatización. Debido al hecho de que varios delos documentos se reutilizan a lo largo del ensayo, es muy im-portante disponer de un formato independiente universal yuna herramienta para la informatización de los de datos.

Para ello, se eligió un formato basado en lenguaje XML,que por un lado sigue siendo legible por los técnicos y por otrolado, se puede programar usando el propio código XML, comose muestra en la Fig. 5.

Para lograr un grado razonable de homogeneidad, se defi-nieron rutinas en lenguaje XML para las diferentes interfacesdel Laboratorio, así como para los casos de prueba y pasos decada ensayo.

Dentro del proceso de ensayo, la secuencia de ensayo es ex-portada desde el archivo original, en formato de Microsoft Ac-cess, a la nueva base de datos universal en formato XML. Elarchivo resultante se utilizará, en primer lugar, para la reali-zación del ensayo y después en la evaluación del ensayo. De



In the test report creation phase takes the evaluation fi-les are taken into account any analyzed by domain experts.After the test result evaluation a report for the customer isautomatically created.

2.2. PLATFORM AND TOOL INDEPENDENT TESTDATA FORMAT

The specifications published by the ERA feature MicrosoftWord documents and Access databases. These formats areproprietary as well as platform specific and therefore com-plicate further processing for automation purposes. Due tothe fact that several created documents are being reused infurther steps within the test process, it was very importantto implement a universal and tool independent data format.

For this we choose a XML-based format, which is at theone hand still human readable and on the other hand can beformalized using XML-scheme definitions as shown in Fig. 5.

To achieve a reasonable degree of formalization, we de-fined XML-schemes for the different laboratory interfacesas well as for the test cases and test steps.

Within the test process, the test sequence is being ex-ported from the original, platform and tool specific Micro-soft Access database to the new universal XML test dataformat. The resulting file will first be used in the test exe-cution and afterwards in the test evaluation. This way, in-

FIGURA 4. Pasos del Ensayo en un viaje en tren con baliza y mensajes de radio [5]/Test steps of a train trip with balise content and radio messages [5].


esta manera, la redundancia de información disminuye y, loque es más importante, la compatibilidad queda garantizada.

2.3. REALIZACIÓN AUTOMÁTICA DEL ENSAYO -EL ROBOT DE UN SOLO DEDO

La realización de los ensayos requiere un gran esfuerzo, yaque consta de unas 100 secuencias diferentes con 500 pasos demedia, que pueden requerir una hora cada una para su reali-zación. Una campaña de ensayos implica la integración y la



formation redundancy is reduced and even more impor-tant, consistency is ensured.

2.3. AUTOMATED TEST EXECUTION -THE ONE FINGERED ROBOT

The test execution needs huge effort; there are around 100test sequences with 500 steps in average with 1 hour run-time each. One test campaign consists of the integrationand preparation of the OBU followed by the first test run

FIGURA 5. Rutina en XML deuna secuencia de ensayo [6]/XML-scheme of a testsequence [6].

FIGURA 6. Formato de losdatos de ensayo

independiente de laplataforma de ensayo para su

uso en la realización yevaluación automática de los

ensayos/Platform independenttest data format as base for

automated test execution andevaluation.

Testreport

Analysis ofRequirements

Technical andOperationalSpecification

TestcaseCreation Test data format

with the<eXtensible

MarkupLanguage>

TestExecution

TestExecution

Test ResultEvaluation andDocumentation

Test Creation

Test Execution

Test Report Creation

§§


preparación del OBU y la realización del propio ensayo. Todoeste proceso, hasta la obtención del informe final, puede llevarmás de tres meses. Para reducir este esfuerzo el DLR ha auto-matizado el proceso.

El primer paso para reducir tiempo y esfuerzo consiste enla automatización de los procedimientos para la preparacióndel ensayo. Todas las secuencias de ensayo deben ser adapta-das para el equipo que corresponda. Especialmente el “tempo-rización de la radio”, que describe el tiempo que el OBU nece-sita para responder a los RBC, es diferente para cadafabricante.

Además, el procedimiento para restablecer el estado delOBU y el tiempo necesario para arrancar el sistema es tam-bién diferente. Para cada secuencia de ensayo es necesario rei-niciar el OBU para garantizar unas mismas condiciones departida apropiadas.

Después de la configuración, el laboratorio realiza lo que seconoce como presecuencia, con el objeto de establecer las condi-ciones específicas de partida de la secuencia de ensayos, porejemplo, los niveles y modos iniciales de ETCS son estableci-dos en la presecuencia. Tras estos pasos previos, la secuenciade ensayos reales ya puede ser realizada. Todas estas laboresde preparación pueden realizarse manualmente o mediantesecuencias de comandos. El DLR utiliza un procedimiento ba-sado en secuencias de comandos para controlar los OBU de losdiferentes fabricantes y desencadenar una configuración auto-mática. Después de un reinicio, la presecuencia se carga auto-máticamente y se inicia la secuencia de ensayos. Esta automa-tización, por si sola, permite una reducción considerable deprocedimientos manuales que debían repetirse antes del iniciode cada secuencia de ensayos.

Durante la ejecución de una secuencia de ensayos un ope-rario tiene que interactuar con el DMI. El DLR ha automati-zado esta interacción mediante un “robot de un solo dedo” quese muestra en la Fig 7. Toda la información necesaria para laejecución de los ensayos se muestra en una pantalla (monitoren frente del operario), por lo que se puede supervisar la ejecu-ción de los ensayos desde otros emplazamientos. En la partederecha de la imagen se muestra el robot delante de la DMI.



and the entire test execution towards the final report andcan take more then three months of time. To reduce thiseffort DLR has established test automation.

The first step in the direction of time and effort reduc-tion is the automation of the procedures for the test prepa-ration. All test sequences need to be adapted for the res-pective test equipment, depending on its manufacturer.Especially the radio timing, describing the time the OBUneeds to respond to the RBC, is different for every manu-facturer.

Furthermore the procedure for resetting the status ofthe OBU and the time needed to boot-up the system dif-fers. Resetting the OBU is necessary to ensure clean star-ting conditions for every test run.

After the reset the lab executes a so called presequencein order to establish the specific starting conditions of atest sequence, e.g., the starting ETCS level and mode aretransmitted via the presequence. After this initial run theactual test sequence can be performed. All this conditio-ning work can be done manually or by using scripts. TheDLR uses a bash-script based procedure to control theOBUs of different manufacturers and to trigger an auto-matic reset. After the reset the presequence is automati-cally loaded and started, followed by the run of the testsequence. This already reduces the amount of manual exe-cution repeated for every test sequence significantly.

During the run of a test sequence the tester needs tointeract on the DMI. DLR has automated this driver inte-raction using a “one-fingered robot” illustrated in Fig 7.All information necessary for the test run, is shown onone screen (monitor in front of the tester), so it is alsopossible to supervise the test run from other places. Theright part of the picture shows the robot in front of theDMI.

FIGURA 7. Robot para laautomatización de pruebas

del DLR/Robot for TestAutomation of the DLR.


El robot consta de dos accionadores lineales y un cilindroneumático para la “estado de presionar”. Los acccionadoreslineales son controlados por un PC que lee la descripción dela secuencia XML de ensayos. Los procesos manuales del en-sayo y las actuaciones de los operarios no están normaliza-das por lo que se requiere una codificación especial de estastareas para que los procesos que se deban desarrollar con elrobot sean únicos. Un archivo de configuración que incluyela normalización de los procesos manuales y la secuenciaXML del ensayo permite automatizar las acciones del robot.La duración de cada proceso del ensayo debe ser prolongadapara tener en cuenta la temporización de la radio de cadaOBU ya que tienen diferente duración. Aunque durante elperíodo inactivo no hay movimiento del tren, si se realizanmuy a menudo otro tipo de acciones. Por esa razón, no sepuede controlar el estado en el que encuentra el proceso,únicamente la posición en la que se encuentra el tren. Cadapaso realizado por el robot se registra de inmediato en labase de datos RailSiTe®. Así, cada acción del robot puedeser evaluada de forma automática. Además, todas las accio-nes del robot son 100% reproducibles, mientras que en lasacciones manuales siempre existen pequeñas desviacionesde carácter temporal o incluso de orden (el operario podríacambiar el orden de las acciones conduciendo a errores en elensayo).

Para mayor seguridad, una cámara registra en video el lasalida gráfica del DMI que es transmitida a un programa dereconocimiento de imagen que permite controlar el resul-tado del DMI y evaluar la información recibida. Asimismo,el programa de reconocimiento de imagen es capaz de retro-alimentar al robot. De este modo, el comportamiento del ro-bot puede adaptarse a defectos detectados en el DMI. Lacombinación de la actuación automática y el reconocimientoautomático del resultado introduce velocidad y calidad alproceso de ensayo.

2.4. EVALUACIÓN AUTOMÁTICA DE ENSAYOS Después de la ejecución del ensayo, todos los resultados seregistran, para cada secuencia, en una base de datos en for-mato de tabla. Estos resultados deben ser evaluados paragarantizar el funcionamiento adecuado de los equipos y delpropio laboratorio, comprobando que todas las actuacionesse han realizado y transferido correctamente.

A este efecto, el DLR ha desarrollado una herramientaque puede conectarse a la base de datos y leer directamenteel archivo XML que describe el ensayo y su secuencia. Am-bas entradas se sincronizan en puntos característicos de lasecuencia de ensayo, por ejemplo, utilizando la localizaciónde un grupo de balizas. Adicionalmente, este software puedeleer muchos formatos de información de los diferentes fabri-cantes de las JRU. De esta manera, los datos de la JRU tam-bién se pueden evaluar, lo que significa una garantía adicio-nal para la verificación de la correcta ejecución del ensayoasí como de la transmisión correcta de todos los mensajesdurante la secuencia.

Una vez realizado el ensayo, todos los datos registradosde la campaña de ensayos (Registros de la JRU, secuenciade vídeo, registros de la comunicación vía radio) se agrupany son tratados a través de una compleja aplicación informá-tica. La aplicación configura automáticamente la herra-mienta de evaluación y activa el proceso de evaluación paramostrar un primer resultado rápido, justo después del en-sayo. Esto le da al operador una rápida visión global confir-mando si todo es correcto o si necesita repetir el ensayo.

La herramienta de evaluación compara los resultados ob-tenidos con los datos de referencia que se recogen en el Sub-



The robot consists of two linear actuators and a pneumaticcylinder for the “press-state”. The linear actuators are contro-lled by a pc which reads the XML-based test sequence des-cription. Because the test steps for the manual input and dri-ver’s actions are not formalized, a special formalization filemaps all test steps to unique robot actions. A comfortable con-figuration file allows the adaption of display characteristicsand different button positions. The configuration file, descri-bing the display, and the formalization file together with theXML based test sequence description allow the robot to auto-mate the drivers input. Every driver event has to be extendedwith a delay time, based on the radio timings of each OBU asthey have a different timing behavior. Notably during stands-till there is no movement of the train but very often many ac-tions take place. Thus it is impossible to monitor only the po-sition of the train to trigger the robot actions, therefore anadditional timing is used. Every input done by the robot islogged immediately to the common RailSiTe® log database.Thus every robot action can be evaluated automatically. Furt-hermore all robot actions are 100% reproducible, while ente-ring the inputs manually always include slight deviationsconcerning time and even order (of course, changing the pressorder of the buttons leads to errors during the evaluation).

Additionally, a camera is capturing the DMI output to for-ward this video stream to an image-recognition-software. Theimage-recognition-software is needed to formalize the DMIoutput and allow an automated evaluation of the displayedinformation. Also the image-recognition-software is able tosend feedbacks to the robot. Hence the robot action can betriggered by real events appearing on the DMI. The combina-tion of automated input and automated output recognitionadds speed and quality to the complete test process.

2.4. AUTOMATED TEST EVALUATION After the test execution all test results are logged in onedatabase table per sequence. These results need to be eva-luated to ensure the correct behaviour of the test hardwareand the lab as well, i.e. that all the events have been trig-gered and transferred correctly. DLR developed a specifictool for this task which can connect to the logging databaseand read the xml test sequence description. Both inputswere synchronised by characteristic places in the test se-quence, e.g. using a balise group location. Additionally thissoftware can read many of the manufacturers’ proprietaryJRU data formats. Thus the JRU data can be evaluated aswell and is a perfect feedback for the correct test run andcorrect transmission of all messages in the sequence.

After the test run all logged data (JRU logs read fromthe OBU, sequence logs, video files and a complete log ofthe radio communication) of a current test campaign is co-llected from all simulation-computers and prepared by acomplex scripting system. The scripting system configuresthe evaluation tool automatically and triggers the evalua-tion process to show a first quick result immediately afterthe test run. This gives the tester a fast overview if everyt-hing looks correct or if he needs to redo the test.

The evaluation tool compares the reference (Subset-076)using the XML format with the results of the test run andprints the result of the comparison into a configurable for-mat. Microsoft Excel is used as output format, to allow ac-


set-076 e imprime el resultado de la comparación en un for-mato editable. La aplicación Microsoft Excel se utiliza comoformato de salida para permitir el acceso a las funciones defiltrado del Excel u otras similares. La herramienta de eva-luación compara a nivel de bit los mensajes ETCS recibidoscon los especificados en el Subset-076.

Todas las desviaciones entre los datos de referencia y losdatos medidos se marcan automáticamente con líneas rojas.Todas las mediciones correctas se muestran en verde y losresultados con desviaciones menores se muestran en amari-llo. En la Fig 8. se muestra un ejemplo del archivo Excel.

Todas las filas amarillas tienen que ser revisadas por eloperador o evaluador. El resultado final (rojo o verde) sepuede añadir a un archivo adicional para mantener la traza-bilidad de la información tanto como sea posible. El archivogenerado para el análisis manual (filas destacadas en ama-rillo) es asociado a un ensayo específico incorporando unCheck-Sum (Suma de los bytes del archivo) con objeto deevitar que se mezclen los resultados de ensayos diferentes.

2.5. PRUEBA DE ANÁLISIS - LA GENERACIÓN DEL INFORMEDE ENSAYO

Después de la evaluación del ensayo, que incluye una revi-sión manual de los pasos que no han sido evaluados deforma automática, hay 93 archivos de resultados, con apro-ximadamente 500 pasos cada uno. Estos archivos contieneninformación detallada y específica, por lo que no permitendar una rápida visión general del ensayo completo. Un resu-men Manual de los resultados requeriría una cantidadenorme de esfuerzo. Para evitar este esfuerzo, el DLR ha de-sarrollado una herramienta que analiza todos los resultadosde forma automática. Se utiliza una plantilla que contieneinformación básica sobre el sistema sometido a ensayo y segenera un informe estructurado. Todos los resultados se fil-



cess to the excel filter functions or similar. The evaluationtool compares all received ETCS messages on bit level.

All deviations between the target and measured data aremarked as red lines automatically. All passed steps areshown in green and results with minor deviations are shownin yellow lines. See Fig 8 for an example of the excel file.

All yellow lines have to be reviewed by the tester respec-tively the Evaluator. The final result (red or green) can beadded to an additional file, to keep as much transparency aspossible. The file for the manual results (the reviewed ye-llow line) is mapped to one unique test run by integrating achecksum to avoid mixing results of different test runs.

2.5. TEST ANALYSIS - GENERATION OF THE TEST REPORT After the test evaluation, including a manual review ofsteps that have not been evaluated automatically, there are93 result files with approximately 500 steps each. Those fi-les are very detailed and specific, thus they cannot give aquick overview of the entire test run. Manual summarizingof the result files would need a huge amount of effort. Toavoid this effort DLR developed a tool which parses all re-sult files automatically. It uses a template, containing somebasic information about the system under test, and genera-tes a well arranged test report. All result files were filteredfor each test case and all deviating steps are summarized intables. By simply clicking on the deviation the result file it-self will open and show all constraints, which lead to the de-viation. Due to this feature it is very easy for developers tofind the reason of a deviation. Furthermore there are seve-ral statistics generated by the tool to visualize the generalresults and the status of the OBU concerning Subset-076conformity in an executive summary.

FIGURA 8. Captura de pantalla del resultado del ensayo usando la herramienta de evaluación del DLR/Screenshot of test result using DLR evaluation tool.


tran con anterioridad para cada paso realizado en el ensayoy todas las desviaciones se resumen en tablas. Con sólo pun-tear en la desviación, el archivo correspondiente se abre ymuestra todas las limitaciones que llevan a la desviación. De-bido a esta funcionalidad de la aplicación es muy fácil para losdiseñadores del equipo sometido a prueba encontrar el motivode la desviación. Además, se generan análisis estadísticos paravisualizar los resultados generales y el estado del OBU en re-lación con el Subset-076 de referencia en un resumen ejecu-tivo.

La Fig 9 muestra la estructura general del documento. El“Executive Summary” muestra el resultado de todo el ensayo,la sección “Test Target” describe el sistema ensayado y la sec-ción “Test Laboratory Configuration”, describe la configura-ción completa de la RailSiTe durante la ejecución del ensayo.Los detalles del ensayo se muestran en la Sección 5, “Test Re-sults”. Algunas gráficas, como las que se muestran en la Fig.10, muestran la interpretación gráfica de los resultados de losensayos incluyendo las características y parámetros ensayadosy los que no. Otra gráfica muestra que secuencias han sido en-sayadas. Además todas las desviaciones se clasifican y se deta-llan en la última parte de la sección. Esta sección incluye lafunción de enlace que se ha descrito anteriormente.Para evitar cambios en los resultados después de la generacióndel informe, para todos los archivos se crea un archivo de con-trol y chequeo que además se enumera en la sección 6 del in-forme del ensayo como medida de protección de los resultadosfinales. Este control es uno de los principales requisitos parala acreditación a la norma ISO 17025.

La aplicación usual del informe del ensayo es que sirva alOrganismo Notificado en el proceso de certificación de unOBU. Pero también es útil para informar a los diseñadores so-bre la situación actual de los equipos en lo relativo a la confor-midad para su uso.



Fig 9 shows the general structure of the document. The“Executive Summary” shows the result of the entire test,the “Test Target” section describes the system under testand the “Test Laboratory Configuration” describes thecomplete configuration of the RailSiTe during the test run.The details of the test are shown in section 5, “Test Re-sults”. Some statistics e.g., Fig10, show the graphical in-terpretation of the test results including which featureshave been tested, and which have not been tested. Anotherstatistic illustrates which sequences have been tested.Further all deviations are categorized to features and arelisted in the last part of the section. This section includesthe hyperlink feature described above.

To avoid changing results after the generation of the re-port, for all files an md5-checksum is created and listed insection 6 of the test report as protection of the results isone of the main requirements for the accreditation towardsISO 17025.

The common application of the test report is as a basefor the Notified Body for the certification process of an On-board Unit. But it is used as a quick feedback for the deve-lopers concerning their current status of conformity aswell.

3. RESULTSThe test automation used during the whole test processhas shown to be very useful in order to achieve the givengoals:

• Reduce testing effort by reducing manual input

• Increasing quality by automation

• Achieve ISO 17025 accreditation for the RailSiTe®,i.e. a neutral, transparent, repeatable and indepen-dent test of ETCS OBUs

FIGURA 9. Contenido delInforme de Ensayo/

Content of the Test Report.


3. RESULTADOS

La automatización empleada durante todo el ensayo ha de-mostrado ser muy útil para alcanzar los objetivos propuestos:

• Reducir el esfuerzo invertido en el ensayo mediante lareducción de la carga manual.

• Aumentar la calidad por la automatización.

• Lograr la acreditación ISO 17025 para la RailSiTe®, através de un ensayo neutral, transparente, reproduciblee independiente para las OBU del ETCS.

Si se tiene en cuenta que la ejecución del ensayo consumemucho tiempo y que el empleo de un robot permite aprovecharlas noches y los fines de semana, la automatización logra aho-rrar una gran cantidad de esfuerzo manual. Además, la auto-matización aporta un gran beneficio al reducir el tiempo deejecución del ensayo completo.

Del mismo modo, como se ha mostrado en el punto 2.4, elprograma de evaluación permite reducir enormemente el es-fuerzo manual mediante la sistematización de la evaluación deuna campaña de ensayos. La herramienta de evaluación escrucial en el proceso de acreditación ISO 17025, ya que esesencial para demostrar la total transparencia de los ensayosy asegurar que se obtienen resultados fiables. La automatiza-ción de los ensayos refuerza significativamente el objetivo dela acreditación al aumentar la calidad de los resultados y opti-mizar el proceso de ensayo. La acreditación de la RailSiTe® deacuerdo a la norma ISO 17025 se ha logrado el 01/11/2012 [7],[8].

3.1. DISCUSIÓN

La calidad del proceso no aumenta linealmente con el grado deautomatización, por esa razón, alcanzar el 100% de automati-zación en los ensayos es una decisión cuestionable. A partir decierto grado de automatización, la relación coste-beneficio dejade tener tanto interés (ver Fig. 11).

Además, sigue siendo necesaria la intervención manual enla evaluación de las desviaciones de los resultados de los ensa-



As the test execution is very time consuming and withthe ability of the robot to execute the test sequences it ispossible to run the sequences during the night or duringweekends saving a lot of manual effort. This leads to ahuge benefit by reducing the execution time of the wholetest specification.

Also, as seen in chapter 2.4 the evaluation software of-fers a huge possibility in reducing the manual effort by for-malizing the behavior in the evaluation of a test campaign.The evaluation tool was also crucial in the ISO 17025 ac-creditation process as it was essential to demonstrate com-plete transparency of the testing-method in order to get re-liable results. The test automation supported the wholeaccreditation significantly by increasing the quality of theresults and optimizing the in-house test process. The ac-creditation of the RailSiTe® towards the ISO 17025 hasbeen achieved on the 11.01.2012 [7] , [8].

3.1. DISCUSSIONAs the quality does not increase linear with the grade of

automation the purpose of reaching 100% test automationis questionable. At some point the cost-value ratio is notefficient anymore (see Fig. 11)

Also there is still a need of some manual effort in theevaluation of deviations of test results as no machine canreplace the experience of the experts as some result need adeeper knowledge of the ETCS-system. The expert canidentify and classify the issue and he needs to evaluate ifit is a sequence, test specification or another error. Thistask can not be automated reasonably.

Nevertheless it is our goal to completely execute all 100test sequences automatically with the robot and to incre-ase the formalization in the evaluation tool. Also the imagerecognition will be adapted so that the evaluation of theDMI-Steps can be computed automatically for every event.The test execution by night is currently under evaluationand to be investigated completely.

FIGURA 10. Estadística de laspartes de ensayo válidas y noválidas/Failed steps during atest run.

Passed/failed steps within covered steps

Passed Steps

Non- Passed Steps withmissing reaction

7%

93%


yos, tarea que ninguna máquina puede realizar en sustituciónde la experiencia de los expertos, ya que el análisis de algunosresultados requiere un conocimiento muy profundo del sis-tema ETCS. El experto puede identificar y clasificar el pro-blema, y evaluar si el origen del mismo se encuentra en la se-cuencia, en la especificación del ensayo o se trata de cualquierotro error. Esta tarea no se puede automatizar razonable-mente.

Sin embargo, el objetivo es alcanzar la automatización delas 100 secuencias de ensayo con el robot y aumentar la siste-matización en la herramienta de evaluación. También el reco-nocimiento de la imagen se adaptará para que la evaluaciónde los pasos en el DMI se pueda computar de forma automá-tica para cada situación. La ejecución del ensayo por la nochese encuentra actualmente en evaluación.

4. AGRADECIMIENTOS

Nos gustaría expresar nuestra gratitud a los miembros delLaboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) del CE-DEX y, especialmente, al Dr. Jaime Tamarit, con quien he-mos compartido muchos conocimientos y experiencias en re-lación a las especificaciones del ensayo y con quien estamostrabajando en varios proyectos, como por ejemplo, el pro-yecto ERA Subset-076 Update. Esperamos mantener labuena relación entre el CEDEX y el DLR, máxime, cuandoestán por llegar numerosos retos y trabajos en este campo,en especial, en todo lo relacionado con ensayos operacionalesen laboratorio.

5. REFERENCIAS

[1] UNISIG. ERTMS / ETCS - clase 1: Especificación de en-sayo, de Subset-076: La versión 2.3.1, 2008.

[2] Walter Andrian. Zweiter ETCS-Softwarefehler gefährdeteVollbetrieb des-Lötschberg Basistunnels. Schweizer RevueEisenbahn-, página 22 f., 01,2008.

[3] UNISIG. ERTMS / ETCS - Clase 1: Functional Require-ments for an on board Reference Test Facility: Subset-094: Version 2.0.2, 05.02.2009.

[4] UNISIG. ERTMS / ETCS - Baseline 3: System Require-ments Specification: Subset-026: 23.12.2008.

[5] Lars Ebrech y Karsten Lemmer. Meta-Modell zur tabella-rischen Verhaltensbeschreibung von Echtzeitsystemen.Echtzeit 2011 - Herausforderungen durch Echtzeitbetrieb,03 -. 04.11.2011.

[6] Lars Ebrech y Karsten Lemmer. Destacar los elementosesenciales del comportamiento de los sistemas reactivos enlas descripciones de prueba utilizando el elemento atómicodel comportamiento. En los patrones de 2010 - SegundaConferencia Internacional sobre los patrones generalizadosy Aplicaciones, 21 - 26.11.2010.

[7] DAkkS. Certificado de acreditación de la RailSiTe® de la-boratorio hacia la ISO 17025. http://as.dakks.eu/ast/d/D-PL-11223-01-00.pdf, 11.01.2012.

[8] DLR. Único en Alemania: el laboratorio DLR de trenes deprueba. http://www.dlr.de/dlr/en/desktopdefault.aspx/-tabid-10081/151_read-2775/, 24.02.2012.



4. ACKNOWLEDGEMENTSWe would like to express our gratitude to the members of

the Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria (LIF) CE-DEX and especially to Dr. Jaime Tamarit with whom wehave shared a lot of knowledge and experiences regardingthe test specification and with who we are currently wor-king in various projects like the ERA Subset-076 Update.We hope to keep the good relationship between CEDEXand DLR as the future still has plenty of work and challen-ges to offer, especially regarding the test of operational sce-narios in the laboratories.

5. REFERENCES[1] UNISIG. ERTMS/ETCS - Class 1: Test Specification,

Subset-076: Version 2.3.1, 2008.[2] Andrian Walter. Zweiter ETCS-Softwarefehler gefähr-

dete Vollbetrieb des Lötschberg-Basistunnels. SchweizerEisenbahn-Revue, page 22 f., 01.2008.

[3] UNISIG. ERTMS/ETCS - Class 1: Functional Require-ments for an on board Reference Test Facility: Subset-094: Version 2.0.2, 05.02.2009.

[4] UNISIG. ERTMS/ETCS - Baseline 3: System Require-ments Specification: Subset-026: 23.12.2008.

[5] Lars Ebrecht and Karsten Lemmer. Meta-Modell zur ta-bellarischen Verhaltensbeschreibung von Echtzeitsyste-men. Echtzeit 2011 - Herausforderungen durch Echtzeit-betrieb., 03 - 04.11.2011.

[6] Lars Ebrecht and Karsten Lemmer. Highlighting the es-sentials of the behaviour of reactive systems in test des-criptions using the behavioural atomic element. In Pat-terns 2010 - Second International Conferences onPervasive Patterns and Applications, 21 - 26.11.2010.

[7] DAkkS. Certificate of accreditation of the RailSiTe® la-boratory towards iso 17025. http://as.dakks.eu/ast/d/D-PL-11223-01-00.pdf, 11.01.2012.

[8] DLR. Unique in Germany: the DLR railway test labora-tory. http://www.dlr.de/dlr/en/desktopdefault.aspx/tabid-10081/151_read-2775/, 24.02.2012.

FIGURA 11. Relación del grado de automatización con los costes/Degree of automation in relation to costs.

Degree of automation/Quality

Effo

rt fo

rau

tom

atio

n

Effort for single

execution Quality

Cos

ts/Ef

fort


C M Y CM MY CY CMY K

AVE

es u

na m

arca

com

erci

al d

e Re

nfe.

La

Velo

cida

d m

áxim

a de

364

km

/h fu

e al

canz

ada

en p

rueb

as. L

a im

agen

es

una

recr

eaci

ón a

rtis

tica

basa

da e

n el

tren

ser

ie 1

02 fa

bric

ado

por B

omba

rdie

r y P

aten

tes

Talg

o pa

ra R

enfe

-Ope

rado

ra.

www.theclimateisrightfortrains.com

BT_New_Ave_112_210x280_01.indd 1 25.11.2010 15:59:10 Uhr

1. INTRODUCCIÓNLa ambiciosa planificación de las infraestructuras de trans-porte abordada en España durante los últimos lustros se haplasmado, entre otros efectos, en la implantación sistemá-tica de redes ferroviarias de A.V. a lo largo del territorio,

muchas de las cuales se vienen completando en estos años, ovan a ir siéndolo en un futuro cercano.

Esta circunstancia ha significado para nuestro país unreto técnico de considerable magnitud, cuya superación sóloha podido lograrse merced al avance tecnológico alcanzadopor las distintas empresas del sector en disciplinas talescomo la ciencia de los materiales, el análisis y diseño de es-tructuras y las técnicas y procedimientos constructivos.

Por otra parte el Administrador de Infraestructuras Fe-rroviaria (ADIF), entidad pública empresarial encargada enEspaña de materializar y administrar estas redes ferrovia-rias, se ha encontrado como consecuencia de esa nueva reali-

Seguimiento en tiempo real delcomportamiento estructural de puentes

en líneas de alta velocidad.Viaductos de Sant-Boi (Barcelona)

PABLO DÍAZ SIMAL (*) y EDUARDO JOSÉ LÓPEZ RODRÍGUEZ (**)

ON-LINE STRUCTURAL HEALTH MONITORING OVER HIGH SPEED RAILWAY BRIDGES.THE SANT BOI VIADUCTS IN BARCELONAABSTRACT The infrastructures’ planning effort recently carried out in Spain has suddenly made the number of bridges deployedalong our High Speed Railways huger. Due to both the difficulties for our inspectors to ingress into the railway security lane aswell as the need to guarantee a similar level of preventive maintenance to the full bridge stock, it has been compelling for dealingwith these structures to draft a health monitoring system being technically specialized, low crew-dependent and, so, different tothose hitherto put into effect. The remote dynamic auscultation system meets these requirements and has been here tested byCEDEX through a pilot programme carried out over two bridges erected by ADIF in the H.S Railway linking Madrid withBarcelona. The idea consists on fixing a wide array of high sensibility transducers connected to bridge members and to eachother via an optical fibre wire being laid over the bridges, and picking up datasets of the representative physical magnitudesincluded into the structural response from faraway. Lately, by means of the FFT algorithm, the job is achieved unveiling theparameters which govern this response and so assessing the bridges’ maintenance condition.

RESUMEN El esfuerzo de implantación de infraestructuras llevado a cabo recientemente en nuestro país ha hecho que seincremente súbitamente el número de puentes desplegados a lo largo de las vías ferroviarias de A.V. Debido tanto a lasdificultades de acceso de nuestros inspectores a la zona de seguridad ferroviaria como a la necesidad garantizar para todoslos puentes un similar grado de mantenimiento preventivo ha sido preciso idear un sistema de inspección de estas estruc-turas técnicamente especializado, poco intensivo en personal y por ello distinto al empleado hasta ahora. La auscultación dinámica en remoto cumple con estos condicionantes y ha sido aquí probada por el CEDEX en un proyectopiloto sobre dos puentes construidos por el ADIF en la línea de A.V. que enlaza Barcelona con Madrid. La idea consiste endisponer un amplio conjunto de transductores de gran sensibilidad conectados a elementos del puente y entre sí a travésde una red de fibra óptica tendida sobre los puentes, y extraer las lecturas de las magnitudes físicas representativas con-tenidas en la respuesta estructural, en remoto. Finalmente, mediante el algoritmo de la FFT, el trabajo concluye desve-lando los parámetros que gobiernan esa respuesta, evaluando así el estado de mantenimiento de los puentes.

75

Palabras clave: Evaluación del Estado de los Puentes, Mantenimiento Preventivo, Auscultación Dinámica.

Keywords: Bridge Condition Assessment, Preventive Maintenance, Dynamic Auscultation.


(*) Jefe del Área de Auscultación de Estructuras del Lab. Central.E-mail: [email protected](**) Director de Programa del Área de Auscultación de Estructuras delLab. Central.

075-089 ingenieria.qxd 20/4/12 16:08 Página 75

dad con un extenso parque de puentes ferroviarios construi-dos casi simultáneamente y en un tiempo breve, viéndosepor ello abocado a acometer también la explotación, segui-miento y conservación de las obras, y asumiendo con ellouna tarea añadida de inspección y evaluación del estado es-tructural de los puentes.

En paralelo y directamente relacionado con el progresode aquellas disciplinas ha sido también patente el avance al-canzado en el campo de la auscultación de estructuras, sóli-damente apoyado en las posibilidades de las tecnologías decomunicación, lo que tradicionalmente ha constituido una delas áreas de actividad del Laboratorio Central de Estructu-ras del CEDEX desde sus inicios.

Aprovechando esta oportuna sinergia, ambas entidades,CEDEX y ADIF; suscribieron un Convenio que dentro sucontenido incluía la tarea de desarrollar un proyecto pilotode auscultación de puentes en remoto que permitiera la ins-pección de puentes de ferrocarril en líneas de alta velocidad.Los criterios de elección de las estructuras destinadas a sermonitorizadas mediante este sistema buscaban profundizaren el conocimiento de puentes dotados de las característicasmás variadas.

Se designaron los dos viaductos contiguos que cruzan elrío Llobregat en la localidad de Sant Boi, en el tramo deA.V.próximo a Barcelona, al contar entre sus característicaslas siguientes:• Tipologías completamente diferentes, tanto en cuanto a

su estructura resistente como en cuanto a sus materialesconstitutivos: uno de acero estructural en celosía y el otrode hormigón pretensado.

• Ambos son adyacentes y tienen común una de las pilas• Están por ello sometidos a las mismas acciones medioam-

bientales y de servicio.• La instalación y explotación de la instrumentación era en

este caso mucho más simplificada que en el caso de dosviaductos en distinto emplazamiento, ya que se podía dis-poner de una serie de servicios comunes para ambas es-tructuras: toma de corriente, sistema de transmisión dedatos, operaciones de instalación y mantenimiento, etc.Los beneficios buscados con tal selección iban a ser fun-

damentalmente:• El seguimiento en tiempo real del estado de seguridad y

funcionalidad de las estructuras, de cara al plantea-miento de las tareas de mantenimiento

• La introducción de mejoras en futuros proyectos depuentes a partir de las conclusiones obtenidas.Respecto del primero de ellos, es evidente que el análisis

detallado de la respuesta de una estructura a lo largo de unperiodo dilatado de tiempo permite establecer unas pautasdel comportamiento estructural del viaducto en cuestiónfrente a las acciones derivadas de las sobrecargas y del en-torno. Al mismo tiempo la determinación de un modelo esta-ble de comportamiento de la estructura contribuye tambiéna detectar la aparición de posibles anomalías a lo largo delperiodo de seguimiento.

De este modo se establecen las bases para, partiendo delanálisis de un conjunto lo más amplio posible de estructuras condistintas tipologías, realizar estudios comparativos de los dife-rentes comportamientos frente a las solicitaciones debidas a laalta velocidad, identificando parámetros de diseño recurrentesque podrán utilizarse en futuros proyectos de viaductos.

De acuerdo con todo lo anterior, el objeto de este artículoconsiste en, tras la descripción de los puentes elegidos y de

la instrumentación instalada, mostrar la estructura de losdatos obtenidos tras un año de instrumentación intensiva enestático y en dinámico, describir el procedimiento de trans-misión de los datos en remoto y ofrecer resultados quecuantifiquen la respuesta de la estructura ante las cargasdinámicas exteriores a través del análisis modal operacio-nal, utilizando para ello el procedimiento conocido como ob-tención de la transformada rápida de Fourier.

2. DATOS DE PARTIDA Y PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIOAntes de proceder a la instrumentación de los puentes secontó con los resultados de un análisis teórico de los mismos.Dicho estudio permitió estudiar el contenido de la respuestadinámica ideal, lo que facilitó la elección de las magnitudesa medir en los puentes y la localización de los puntos de me-dida.

Esto abrió paso al diseñó de los transductores a disponer,así como el esquema de la arquitectura de los nodos y de laslíneas de alimentación y de transmisión de la información.En paralelo hubo de proyectarse un sistema de almacena-miento de datos en cada nodo y diseñar una conexión ina-lámbrica en remoto con la sede del Laboratorio.

Para la realización del estudio de las señales obtenidasexperimentalmente se ha utilizado la aplicación desarro-llada en el Laboratorio Central de Estructuras SIACOD,acrónimo que responde a Sistema Integral de Análisis yControl de Datos. Esta aplicación tiene por objeto disponer,de forma integrada, de las utilidades informáticas necesa-rias para la adquisición, gestión, análisis e interpretaciónde los datos procedentes de la auscultación de las estructu-ras.

3. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURASCada uno de los viaductos elegidos se proyectó utilizandodistintos materiales y diferente tipología estructural. En loque sigue se denominarán según el material en el que sehan realizado: puente metálico y puente de hormigón.

El puente metálico tiene una longitud total de 340 me-tros repartidos en 6 vanos de luces 44+4*63+44 que se alo-jan en un tramo curvilíneo de radio 3500 metros. El anchode la plataforma disponible es de 14,10 metros, necesariopara tender dos vías de ferrocarril, una por sentido de circu-lación, y diversas canalizaciones para el cableado de servi-cios asociados a la explotación de la vía.

Enclavado en el mismo tramo y con idéntica definición detrazado en planta se encuentra el puente de hormigón pre-tensado, que cruza el río Llobregat. Tiene una longitud de530 metros, distribuidos en once vanos, nueve de ellos en elcentro con luces de 50 metros y otros dos vanos extremos de40 metros, es decir con un reparto de luces de 40+9*50+40.

3.1. TIPOLOGÍA ESTRUCTURAL

3.1.1. Puente de MetálicoEl esquema resistente del viaducto metálico se ajusta al deuna viga continua simplemente apoyada en cinco pilas, flan-queada por un estribo convencional y una pila estribo espe-cialmente diseñada para funcionar como estribo compartidoentre este puente y el de hormigón, inmediatamente poste-rior, que cruza el río Llobregat. Ambos estribos son, al igualque las pilas, rectos y ortogonales a la traza, es decir que elpuente carece de esviaje.

La sustentación del tablero en dichos estribos y pilas serealiza mediante la interposición de parejas de aparatos de

SEGUIMIENTO EN TIEMPO REAL DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE PUENTES EN LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD. VIADUCTOS DE SANT-BOI (BARCELONA)



apoyo tipo pot. Cada una de ellas está compuesta por unaparato de apoyo guiado longitudinalmente, aunque cons-treñido en sentido transversal y otro totalmente libre, conexcepción de la pareja situada en la pila estribo en donde sematerializa un punto fijo para todos los desplazamientos delpuente. En el otro extremo del tablero, se dispone sobre elestribo una junta de dilatación dimensionada para absorberel recorrido longitudinal total.

La solución de cimentación adoptada para todos los estri-bos y pilas es de tipo profundo mediante encepados de pilo-tes empotrados en estratos subyacentes competentes.

Los alzados del estribo 1, convencional según se ha dicho,consisten en un muro vertical frontal y un par de muros la-terales en vuelta alzándose desde el encepado.

La pila que hace también las veces de estribo está com-puesta de elementos estructurales rectos de hormigón pre-tensado que dibujan las aristas de un tetraedro, una de lascuales, la superior, está colocada en posición horizontaltransversalmente a la traza, mientras que la inferior, embe-bida en el encepado es también horizontal y va girada 90grados respecto de la otra. Los otros cuatro elementos tieneninclinaciones que vienen obligadas por su conexión en el te-traedro con los extremos de las dos aristas horizontales des-critas, inclinaciones que permiten, junto con la dimensión delas secciones rectas transversales de cada uno, recibir ytrasladar al terreno a través de la cimentación los esfuerzos

horizontales longitudinales y transversales, estos últimosmenos comprometidos al compartir tal función con las pilas.Ambos estribos tienen una altura similar, de unos 16 ó 17metros.

Las pilas son todas sensiblemente iguales en altura, unos15 metros, salvo la intermedia que alcanza únicamente 8metros. Su diseño es idéntico para todas. Consiste en dosfustes gemelos de sección cuasi-rectangular –solo se diferen-cia del rectángulo en lo redondeado de las caras frontal ydorsal- con las caras mayores longitudinales a la traza. To-dos los fustes, salvo los de la pila intermedia disponen deuna extensión en forma de membrana en la parte inferiorinterior lo que dota a la sección de empotramiento de unamayor área.

La tipología del tablero se compone de una estructurametálica combinada con una losa de hormigón, es decir quese trata de una sección mixta. La parte metálica consta dedos cuchillos, uno en cada borde, que descansan en los apa-ratos de apoyo ya mencionados situados en coronación de pi-las y estribos. El perfil longitudinal de los cuchillos, en celo-sía, se logra practicando, en una viga metálica de cantovariable, máximo sobre pilas y fuertemente peraltada, sen-dos aligeramientos triangulares simétricos uno a cada ladodel fuste en sentido longitudinal.

La losa de hormigón armado que constituye la plata-forma del camino ferroviario descansa entre los dos cuchillos



FIGURA 1. Puente metálico. Vista desde el interior del cajón y esquema simplificado.

FIGURA 2. Puente de hormigón. Vista exterior y esquema simplificado.


paralelos a la altura de las vigas longitudinales corridas,apoyada sobre vigas transversales también de acero estruc-tural. Estas vigas metálicas son armadas de sección en do-ble T y van conectadas a las longitudinales mediante plata-bandas angulares soldadas entre ambos elementosestructurales con diseños variables en cuanto su rigidez, se-gún sea su posición en la traza del puente.

Entre las alas superiores de las vigas transversales, quevan colocadas cada tres metros, se tiende una chapa grecadade rigidez suficiente para encofrar el hormigón de la losaque tiene un canto constante de 35 cm. en toda su longitud.El cortante de rasante de la losa se trasmite a la estructurametálica mediante conectadores cilíndricos soldados a lacara superior del ala de cada viga transversal.

3.1.2. Puente de HormigónLos estribos de este puente, por las mismas razones que lasde el del caso anterior son entre sí de tipología diferente. Elestribo 2 del lado Barcelona está compuesto por una vigacargadero montada sobre pilotes. Su altura es moderada alencontrarse en un punto de la traza próximo al túnel si-tuado inmediatamente a continuación en el perfil del tra-zado. El estribo 1 es el compartido con el puente anteriorque ya se ha descrito.

Las pilas de diferentes alturas, aunque siempre inferio-res a la treintena de metros, se han diseñado mediante unfuste de sección compacta maciza en hormigón que se abreen dos brazos inclinados imitando una Y griega, en cuyos ex-tremos superiores los aparatos de apoyo reciben las cargasdel tablero. Para aliviar las flexiones en los arranques de di-chos brazos los extremos de la Y se han unido mediante unelemento de hormigón horizontal solidario con ellos quehace las veces de tirante. Los aparatos de apoyo tienen lasmismas características y funcionalidades de los que se en-cuentran en el puente metálico.

El tablero, de hormigón pretensado, tiene forma de cajónabierto en forma de U con las cabezas de las almas regrue-sadas. El canto total es de 4,20 metros y la losa de unión en-tre ambas es nervada mediante costillas transversales. Elcajón se encuentra fijo, al igual que el puente anterior, en lapila estribo intermedia.

4. CONJUNTO DE MAGNITUDES A MEDIRComo en cualquier proyecto de instrumentación de estructu-ras se impuso en éste una reflexión previa de cara a acotar lasmagnitudes cuyos valores es necesario conocer y designar enqué puntos concretos hay que medir para obtener los resulta-dos que, una vez integrados, reflejasen el estado del puente ca-racterizando la respuesta estructural ante las solicitaciones.

Esta decisión varía siempre en función de muchos facto-res coadyuvantes al proyecto. Viene condicionada en primerlugar por el alcance que se haya fijado en los objetivos, se-gún se busque revelar el comportamiento de una determi-nada zona o elemento de la estructura o se pretenda, comoes nuestro caso, estudiar el estado y la evolución de la condi-ción del puente en su conjunto. Depende también del tipo desolicitación, estática, termo-higrométrica y reológica, o diná-mica que se quiera analizar. En el caso de estos puentes sepretendía cubrir el conjunto de todas ellas o al menos las delos dos últimos tipos, lo que condujo a plantear una instru-mentación capaz de obtener tanto registros en estático comoen dinámico. Y, por último, viene también condicionada porlos elementos estructurales y sus materiales de construccióncuya compatibilidad con los distintos sensores disponiblespueda ofrecer unas garantías razonables.

En los tableros interesaba conocer aquéllas que, como loscorrimientos o deformaciones, van asociados a las tensionesy esfuerzos mecánicos, ya sean originados por las cargas cir-culantes o por las acciones de larga duración de tipo está-tico. Otras magnitudes, como las aceleraciones, son de inclu-sión obligada porque permiten caracterizar la respuestadinámica de la estructura, máxime si se tiene en cuenta.que las sobrecargas debidas al tráfico ferroviario son eneste punto de alta velocidad.

En pilas y estribos, sin embargo, son más útiles en la prác-tica las medidas directas de movimientos, tanto en el planohorizontal como asientos verticales, y giros inclinaciones.

Con tales premisas la instrumentación se eligió ademáspara ser capaz de recoger información con alta frecuencia demuestreo durante periodos de tiempo muy extensos, lo queinvitaba a la correlación de las medidas recabadas con losvalores registrados en el ambiente del entorno. Ello llevó alestudio de otras magnitudes medioambientales como elviento y la temperatura.



FIGURA 3. Pila estribo.

FIGURA 4. Interior del cajón del puente de hormigón.


En cualquier caso la decisión de las magnitudes a medirvino influida también por las características y los materialesutilizados en el proyecto de construcción del puente que pue-den, como se verá, limitar o priorizar cierto tipo de lecturas.

En el apartado siguiente se describe el despliegue de sen-sores a lo largo de los puentes y los diferentes tendidos nece-sarios para su explotación en remoto.

5. ESQUEMA GENERAL DE INSTALACIÓNLa topología diseñada para esta distribución de sensores ysus correspondientes conexiones se compone de una serie

esquemas arborescentes que parten de nodos situados enlos distintos puntos de la traza de los puente, viniendo di-chos nodos unidos entre sí a través de un tendido en formade doble anillo de fibra óptica que canaliza toda la informa-ción hacia una caseta de instalaciones próxima al estribodel puente de hormigón. A lo largo de la línea anular de fi-bra que conecta los nodos se dispone también un tendido dealimentación eléctrica a 220 v. que toma corriente de lamisma caseta mediante un cuadro general conjunto que sedescribirá a continuación. Una representación gráfica de to-das estas conexiones puede encontrarse en la siguiente fi-gura.



Según se desprende de lo dicho en el párrafo anterior, losnodos tienen un carácter funcional múltiple, en el sentido enque son puntos o zonas comunes de entronque de los tendi-dos de fibra óptica, alimentación eléctrica y cables de cone-xión de sensores, con eventuales interfaces entre algunos deestos tendidos.

Previamente a su instalación en campo todos los elemen-tos de la instrumentación fueron preinstalados en el Labora-torio Central con longitudes de cable mínimas para la verifi-cación de su correcto funcionamiento, tal como esrecomendable en cualquier instrumentación compleja, cuyacompatibilidad ha de ensayarse previamente “en blanco” a finde descartar errores o carencias que luego son difíciles de re-poner en campo. Los nodos, algunos muy nutridos en cuanto acanales de adquisición como veremos, y desde los cuales seabría en esquema arborescente toda la captación de datosdesde los sensores, venían a coincidir con la situación de laspilas de los puentes, recibiendo en cada uno datos simultá-neos de las zonas interiores de los tableros y exteriores de laspilas. De este modo se reducían las pérdidas de señal asocia-das a tendidos de grandes dimensiones. Como parte de losdispositivos instalados, existía en cada nodo una batería quesuministraba energía eléctrica al sistema durante al menosocho horas, ante un eventual corte del suministro de la líneaa 220, precaución que demostró su utilidad en algunas ocasio-nes salvando la información almacenada en las PCMCIAS.

La instalación operaba indistintamente en estático y endinámico. En el primer caso la evolución de la respuesta seproduce de forma continua y el volumen de datos es maneja-ble. Por el contrario el modo dinámico sólo se requiere antelas solicitaciones homónimas producidas por el paso de lostrenes u otras acciones extraordinarias. Además, el volumende datos que registra es incomparablemente mayor, con loque sólo se activaba cuando alguno de los sensores instaladoespecíficamente para ese fin alcanzaba un valor umbral su-ficiente, disparando el modo dinámico de adquisición.

La simultaneidad, imprescindible en un sistema de adqui-sición de datos de frecuencias de muestreo del orden de 200Hz destinado a alimentar un proceso de análisis modal opera-cional en los puentes, corrió a cargo también de dispositivosde posicionamiento instalados en los nodos, (GPS´s), que per-mitían las lecturas en modo sincronizado tras el impulso dearranque que disparaba la adquisición de datos en dinámico.

6. CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOSY LOS DISPOSITIVOS

Todo estudio que haya de llevarse a cabo en una estructurareal construida requiere una capacidad de analizar los datosde la respuesta de la misma ante determinadas acciones. Yconsiguientemente, al ser preciso además obtener tales da-tos para el estudio, es fundamental poseer un sistema de ad-


quisición acorde a las necesidades reales planteadas en lainvestigación. Como es bien sabido, una medida a realizaren un puente o estructura ha de ser objetiva (independientedel observador) y empírica (basada en la experimentación),de tal forma que exista una correspondencia biunívoca entrelas relaciones numéricas almacenadas y las relaciones entrelas propiedades descritas. Existen actualmente en el mer-cado diversos sistemas de adquisición de datos capaces derealizar esta labor. Tras estudiar los diferentes modelos dis-ponibles, se optó en el Laboratorio Central por utilizar unsistema, ya contrastado en otros viaductos de ADIF, si bienen un estadio incipiente de explotación, que se adaptabaperfectamente a las necesidades de instrumentación denuestros puentes.

Por otro lado, hay que hacer constar que en un sistemade adquisición de datos en dinámico (con una alta frecuenciade muestreo) y con la topología descrita anteriormente, do-tado de numerosos nodos independientes entre sí, es funda-mental la sincronización entre los módulos integrantes, as-pecto que resuelve el sistema adoptado.

El sistema consta de una serie de módulos principales enlos que existe un procesador digital de señal que permite elprocesamiento básico de los datos, el cual se compone de lassiguientes funciones: reducción, filtrado y estadística, y rea-liza la sincronización entre todos los módulos principales yde otra serie de módulos secundarios que permiten el acon-dicionamiento de los canales con una frecuencia de muestreode hasta 1000 Hz para adquisición en modo dinámico.

Las características básicas de los distintos módulos que com-ponen este sistema de adquisición se detallan a continuación.

6.1. SISTEMA DE MODULOS BASICOS COLECTORES DE DATOSTIPO CAN BUS/BUSDAQ

El sistema de adquisición de datos se compone en cada nodode un módulo principal (IMC-BusDaq-2) y de modulos bási-cos de adquisición dinámica CANSAS-UNI-8, de la casa ale-mana IMC (Integrated Measurement & Control).

Las características del módulo principal son las siguien-tes:• Alimentación: 10-50 VDC. • Consumo de potencia: 200mW <3W• Sincronización total de la adquisición entre los diferentes

módulos tipo BUSDAQ-2 a través de GPS.• Máxima velocidad de transferencia de la línea del CAN

BUS: 1Mbits/s• Temperatura de operación: -40ºC a 85ºC• Interfaz de conexión Ethernet 10/100Mbit.• Dispone de dos nodos tipo CAN aislados de acuerdo a los

estándares ISO11898 (ALTA VELOCIDAD) e ISO 11519-1 (BAJA VELOCIDAD).

• Dispone de un Procesador Digital de Señal (en adelanteDSP) que posibilita la realización de cálculos en tiemporeal a través de software. Incluye el software compatibleque permite la configuración de los distintos experimen-tos así como la visualización y la toma de datos.

• El módulo incluye una tarjeta de memoria de tipo Com-pact Flash de 4GB de capacidad.

6.2. SISTEMA DE MODULOS BASICOS DE ADQUISICIONDINAMICA TIPO CANSAS-UNI8

Se trata de módulos tipo CANSAS-UNI8, y con las siguien-tes características técnicas:

• Alimentación: de 9 a 32 VDC. • Temperatura de operación: de -20ºC a 65ºC, condensación

permitida.• Permite la conexión de hasta ocho (8) canales diferencia-

les para medida de tensión, temperatura (PT100 y termo-pares), corriente y puentes extensiométricos.

• La medida de las distintas magnitudes se hacen en gru-pos de dos (2) canales.

• Incluye dos conectores de tipo SUB-D de 9 pines, para co-nexión de dos (2) nodos tipo CAN BUS aislados.

• Velocidad de muestreo simultaneo de cada canal de hasta1000Hz. La velocidad de muestreo es seleccionable a tra-vés del software en pasos de 1, 2 y 5.

• Resolución: 16 bits.• Ancho de banda 200Hz (-3dB)• Sincronización total de medidas entre todos los canales.

Los módulos de adquisición localizados en los nodos deconcentración son totalmente independientes entre sí, lo quesignifica que un eventual fallo en un nodo no afecta al fun-cionamiento del resto de ellos. A su vez el conjunto de todoslos nodos que componen el sistema de instrumentación seencuentra controlado por un servidor ubicado en una casetapróxima al estribo del puente.

Este servidor se interconecta a través de fibra óptica conlos equipos de adquisición de datos distribuidos por los via-ductos. Los datos se toman utilizando los programas solici-tados para la configuración de los canales y de los ensayos,realizando la adquisición y el registro de las medidas estáti-cas con una periodicidad a determinar por el usuario (pre-establecidas a un dato por minuto). La adquisición y el re-gistro de las medidas dinámicas se realizan por eventos oen una fecha fija que se puede determinar. En situación deregistro continuo se almacenan los valores estadísticos.Pero al disponer de un sensor que avisa de la inminentepresencia de un tren sobre el tablero, se puede activar lalectura y almacenamiento de los datos brutos correspon-dientes al paso del tren. Los datos almacenados se transmi-ten de forma periódica desde el servidor en campo hasta unsistema central ubicado en el Laboratorio Central del CE-DEX.

7. INSTRUMENTACIÓNLos diferentes tipos de transductores adecuados a las mag-nitudes físicas a medir seleccionadas en el proyecto de ins-trumentación se colocaron en posición en los diversos ele-mentos estructurales de los puentes conectados a sucorrespondiente nodo de acuerdo al esquema previsto.

7.1. MEDIDAS EN PILAS Y ESTRIBOS

7.1.1. ClinómetrosLos clinómetros son los transductores para la medida de gi-ros (rad).

El clinómetro se diseñó como transductor principal de larespuesta de la pila a lo largo del tiempo para fuerzas hori-zontales. Ante cualesquiera de estas acciones horizontalesque soporta la pila (fuerzas de lazo, fuerza centrífuga, vientotransversal y longitudinal, fuerzas horizontales si son puntofijo, rozamiento inducido a través del aparato de apoyo, etc.),el giro relativo de la cabeza de la pila con respecto a su basepermite deducir tanto el nivel de esfuerzos que solicitan lapila como la deformación (flecha horizontal) en cabeza.




De esta forma es posible detectar, por ejemplo, un inco-rrecto funcionamiento de un aparato de apoyo deslizante, ouna elevada deformabilidad transversal frente a acciones deviento elevado, etc.

Lógicamente, la conversión de los datos del clinómetro enesfuerzos y flechas obliga a conocer la rigidez real de la pilaen servicio, por lo que es necesario disponer de un modelo decálculo de la subestructura que pueda evaluar los fenóme-nos de no linealidad material y geométrica que caracterizanla respuesta en flexo compresión de la pila.

Los clinómetros se colocaron exclusivamente en la cabezade pila por la escasa altura de éstas, no considerándose ne-cesario medir en la base o en puntos intermedios del fuste.Se dispusieron tanto en dirección longitudinal como trans-versal.

Se perseguía en este caso obtener medidas de giros res-pecto de un eje horizontal –es decir, inclinaciones de un pa-ramento vertical- mediante clinómetros de precisión coloca-dos en la cabeza de una de las pilas, la P4, que es una de lasde mayor esbeltez y fácil acceso. Se colocaron dos clinóme-tros en el fuste de pila correspondiente al apoyo guiado (girolongitudinal y transversal) y uno en el fuste que aloja elapoyo libre (giro longitudinal), lo que hace un total de tresclinómetros en la cabeza de pila.

En la pila estribo se dispusieron dos aparatos, uno paramedir en cada plano.

En el estribo convencional se dispuso un único clinómetropara medir inclinaciones en el plano del perfil del puente.

Esto hace un total de 6 clinómetros de precisión en elpuente metálico. Todos ellos se situaron en cabeza tanto depilas como de estribos, allí donde los movimientos son en te-oría más significativos. En el puente de hormigón se instru-mentaron con clinómetros dos de las pilas, la P8 y la P11, co-locando en cada una de ellas cuatro aparatos para medirgiros en sentido longitudinal y transversal en ambos extre-mos de la cabeza de pila.

7.2. DESPLAZAMIENTOS:Los transductores de desplazamiento miden el desplaza-miento relativo entre dos puntos de control (mm).

El objetivo principal de esta medida es conocer el despla-zamiento longitudinal relativo tablero – subestructura endeterminadas secciones. Para ello, se colocan transductoreshorizontales longitudinales entre tablero y coronación de al-guna de las pilas y entre tablero y estribos. El transductorse coloca de forma que el cuerpo del aparato esté fijado a lapila y el vástago sea solidario del tablero (o viceversa).

La medida del desplazamiento relativo tablero – subestruc-tura puede convertirse en un indicador del grado de funciona-miento de los aparatos de apoyo deslizantes. Asimismo, facili-tará un registro de los movimientos en la junta de dilataciónpor acciones reológicas, temperatura y esfuerzos de frenado.

Para la medida de desplazamientos relativos se han utili-zado en ambos viaductos transductores inductivos LVDT,dada su precisión, estabilidad y robustez.

Se seleccionaron 3 tipos de transductores, iguales en suconstitución pero de tres rangos de medida diferentes paraasí optimizarlos dentro del rango de medidas previsible:

• LVDT de 250 mm de rango• LVDT de 150 mm de rango• LVDT de 50 mm rango

En el viaducto se midieron movimientos longitudinalesrelativos entre el tablero y el estribo 1, entre el tablero y lapila 1 (en ambos casos mediante aparatos de 250 mm) y en



FIGURA 5. Detalle deinstrumentación en la pila delviaducto de hormigón.

la pila-estribo (con rango de 50 mm). En cada una de dichassecciones se colocaron dos transductores coincidiendo con lalínea longitudinal de apoyos. El número total de transducto-res a utilizar era pues de 6 en el puente metálico.

Para el puente de hormigón se colocaron de forma aná-loga transductores inductivos LVDT en la pila estribo (rango50 mm), en la pila 11 (150 mm de rango) y en el estribo 2(250 mm de rango). En cada sección se dispuso un par deaparatos en las zonas de los apoyos orientados de forma quepermitiera medir los movimientos horizontales longitudina-les. En total constituyen 6 puntos de medida.

7.3. DEFORMACIONES EN CABEZA DE PILAS:Dada la configuración de la cabeza de las pilas en el via-ducto de hormigón, se consideró de interés medir deforma-ciones en el elemento superior del triángulo que constituyela cabeza de dichas pilas. Dados los problemas para la me-dida de deformaciones con galgas extensométricas en el hor-migón se habilitó una medida indirecta disponiendo untransductor LVDT con una base de medida de 20 cm.

Esta instrumentación fue colocada en las pilas 8 y 11.

7.4. TABLERO - CAJÓN

7.5. DEFORMACIONES: GALGAS EXTENSOMÉTRICASLas galgas extensométricas (GE) permiten la medida de defor-maciones basándose en la variación de resistencia de una reji-lla de hilo conductor pegada sobre la superficie del material.La medida se da en microdeformaciones (1με = 10-6 m/m).

Las GE constituyen un transductor idóneo para materia-les metálicos pero no así para el hormigón, donde aparecenuna serie de incidencias en relación con la heterogeneidad,la longitud de la base de medida (en comparación con el ta-maño máximo del árido), los efectos de la microfisuración, lainfluencia de la humedad a través del hormigón, etc. que,por lo general, no las hacen aconsejables, especialmentepara unas medidas a la intemperie y a muy largo plazo,como es el caso del presente proyecto. Por ello la medida dedeformaciones con GE se limitó al tramo metálico, donde,por añadidura, debido a la tipología de la estructura la me-dida de deformaciones es mucho más interesante.


Hay que señalar que la medida de deformaciones, y através de ellas, la determinación de tensiones constituyedentro del análisis experimental de estructuras la magnitudque mejor información ofrece del comportamiento tensionaldel puente.

La disposición de las GE incorporó en buena medida lassugerencias del proyectista y se tuvo en cuenta la limitaciónreal (por condicionantes de acceso a determinadas zonas) decolocación de los transductores.

Se instrumentó el tablero con un número total de 39 gal-gas de 6 mm de base repartidas entre las jácenas, las diago-nales y los puntales que forman ambos cuchillos longitudi-nales, así como en las vigas transversales de unión entreellos. La topología e instalación de la red de GE es la másdelicada y compleja de toda la instrumentación a colocar, yla que, además, podría ser susceptible de experimentar va-riaciones a lo largo del periodo de seguimiento.

Un número de galgas fue colocado en las vigas metálicastransversales, recogiendo la especial inquietud del autor delproyecto, para poder investigar el comportamiento de lasdistintas rigideces de las conexiones de estas vigas con loscuchillos o jácenas longitudinales. La ubicación de estas gal-gas se fijó en las siguientes zonas:

• En la viga transversal del estribo 1 (3 galgas en el almavista – detalle D).

• En la pila-estribo (3 galgas en el alma vista – detalle D’). • En una viga transversal coincidente con la unión jácena/dia-

gonal del cuchillo longitudinal (3 galgas – detalle F).• En la viga transversal correspondiente a la pila 2 (6 gal-

gas – detalle E).En los cuchillos longitudinales la disposición de las gal-

gas quedó repartida de la manera siguiente:• Centros de vano: se dispusieron dieciséis galgas en tres

secciones distintas de los cuchillos longitudinales: vanos2, vano 4 y vano 5. En los vanos 2 y 4, se colocaron dosgalgas en la cara interior de cada uno de los cuchillos (4galgas por sección – detalle A) y en el vano 5 en la carainterior y exterior del cuchillo (8 galgas – detalle B).

• Secciones trianguladas sobre pila 4: ocho galgas dispues-tas simétricamente, 2 en los puntales, 2 en diagonales y 4en las vigas principales – detalle C.En resumen, se instaló un total de 15 sensores extenso-

métricos en las vigas transversales y 24 en los cuchillos cu-chillos longitudinales.



FIGURA 6. Detalles de localización de las galgas extensométricas.

7.6. ACELERACIONESLos acelerómetros miden aceleraciones, uni o multiaxialesen los puntos de control (m/s2). La utilización de los aceleró-metros es independiente del material de la estructura.

Los acelerómetros de eje sensible vertical instalados enel tablero permitieron realizar un estudio de la respuestadinámica global del viaducto al paso de los trenes, no sola-mente en el dominio del tiempo, en el que se obtendrán losniveles extremos de aceleración, sino también en el de lafrecuencia, lo que permitió obtener las formas y frecuenciasmodales en el plano vertical excitadas por las cargas ferro-viarias.

Complementariamente, con los acelerómetros de eje ac-tivo horizontal se intentaba medir aceleraciones relaciona-das con las fuerzas centrífugas (dirección transversal) yefectos de aceleración y frenada de los vehículos (direcciónlongitudinal).

Los aparatos utilizados respondían a dos tipos distintos:a) Servoacelerómetros de eje vertical: Dan una magnífica

respuesta para frecuencias bajas, como son las que apa-recen en estructuras de ingeniería civil y son robustos yfiables. Se utilizarán para la medida de aceleracionesverticales.

b) Servoacelerómetros de eje horizontal: tienen las mismascaracterísticas de los anteriores y se utilizarán para elregistro de las aceleraciones horizontalesEn el puente metálico se colocaron 16 servoacelerómetros

repartidos a lo largo y ancho de la losa de hormigón armado.Se optimizó la disposición de los aparatos en uno de los doslados de la estructura (aquel por donde discurrirá básica-mente todo el cableado), en donde se colocaron 12 aceleróme-tros y se complementaron con 4 aparatos en el lado opuesto.

Por otro lado se colocaron 2 acelerómetros biaxiales hori-zontales con ejes activos longitudinal y transversal alpuente en dos de los vanos, el 2 y el 4.

En el puente de hormigón la disposición de los aceleróme-tros es totalmente análoga a la del puente metálico pero seincrementó el número de acelerómetros: 19 de eje vertical ydos biaxiales de ejes horizontales.

7.7. MEDIDA DEL ENTORNO MEDIOAMBIENTALMenos relacionadas con la respuesta intrínseca del tablero,aunque de utilidad para precisar las acciones reales sobre elpuente, son las magnitudes asociadas a los parámetros me-teorológicos, principalmente la intensidad del viento y sucomponente, así como la temperatura del ambiente.


La zona de emplazamiento del puente, por ser abierta yplana, no presentaba a priori diferencias medioambientalesnotables de unas zonas a otras, por lo que se pudo reducir elnúmero de sensores aprovechando los datos para ambas es-tructuras.

7.8. SONDAS DE TEMPERATURALas sondas de temperatura fueron adheridas a las superfi-cies metálicas o introducidas en los volúmenes de hormigón,y miden temperatura (ºC). En este caso los transductoresutilizados son resistencias de platino (RTD).

Dada la importancia de las deformaciones longitudinalesdel tablero metálico por efectos térmicos y su traducción endesplazamientos respecto, especialmente, del Estribo 1, seconsideró conveniente tomar datos de temperatura en el am-biente y en la estructura.

En el tramo metálico se instalaron, en la pila 5, 3 sensorescolocados en zonas de distinto soleamiento en la chapa metálica.

Aparte de ello se dispuso un termómetro de temperaturaambiente en la pila-estribo, mientras que en el tramo dehormigón se colocaron sendos sensores en las pilas 8 y 11.

7.9. ANEMÓMETROSLos anemómetros miden la velocidad del viento (m/s) y engeneralvan provistos de veleta para recoger su dirección.

Con esta medida se intentaba establecer un registro con-tinuo de la intensidad y dirección de la acción del viento, ca-librando especialmente la importancia de las ráfagas. El re-gistro temporal completo de estos anemómetros fuecoordinado con el del resto de medidas dinámicas que se rea-lizaron (clinómetros, acelerómetros y extensómetros).

Estos anemómetros midieron la velocidad del viento enmodo dinámico continuo, extrayendo exclusivamente pará-metros estadísticos debido al excesivo volumen de datos quehubiera requerido su grabación total, pero al paso de los tre-nes o ante la superación de eventos prefijados se grababanregistros temporales para un posterior análisis, con inten-ción de caracterizar la respuesta de la estructura frente adistintas intensidades de la acción del viento en combina-ción con la sobrecarga. Se colocó un anemómetro sobre lapropia estructura, en el puente de hormigón.

7.10. MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE LOS TRENESTambién relacionado con las acciones a considerar en la ex-plotación de la línea y por tanto, aunque indirectamente,con la respuesta de la estructura, es de interés conocer la ve-locidad de circulación de los trenes por los tableros. Para ellose previó realizar la medición instalando en dos secciones,antes del estribo 1 y en la pila estribo, parejas de galgas ex-tensométricas situadas en el patín del carril ferroviario y se-paradas una distancia conocida con exactitud, de maneraque acusasen el paso de cada uno de los ejes individual-mente. La ventaja de este procedimiento, a pesar de ser in-directo por el parámetro de distancia antedicho, es que per-mite, aunque sólo sea de forma cualitativa, conocer, ademásde la velocidad, la composición de cargas de los convoyes quevan circulando sobre la estructura a lo largo de los años.

8. DISTRIBUCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓNLa instrumentación se concentró en 13 nodos distribuidos alo largo de los dos puentes. Los nodos 1 a 6 corresponden ala instrumentación recogida en el puente metálico mientrasque la instrumentación correspondiente al puente de hormi-gón se recoge entre los nodos 7 a 13.

8.1. PUENTE METÁLICO(Nodos 1 a 6)

• Acelerómetros verticales. Se dispuso un total de 16 acele-rómetros verticales distribuidos en ambas márgenes y enpuntos de centro de vano o a un cuarto de la pila, segúnplano adjunto.

• Acelerómetros horizontales. Se dispuso un total de 4 ace-lerómetros.

• Medición de desplazamientos (LVDTs). Se dispusieron 6LVDTs.

• Inclinaciones. Se dispusieron 6 inclinómetros.

• Bandas extensométricas. Se dispuso un total de 47 ban-das extensométricas distribuidas entre los patines de lavía, vigas y cuchillos laterales del puente.

• Temperatura. Se dispusieron 2 termopares.



FIGURA 7. Ubicación de las sondas de temperatura en la sección del puente metálico.


8.2. PUENTE DE HORMIGÓN(Nodos 7 a 13)

• Acelerómetros verticales. Se dispuso un total de 25 acele-rómetros verticales distribuidos en ambas márgenes y enpuntos de centro de vano o a un cuarto de la pila, segúnplano adjunto.

• Acelerómetros horizontales. Se dispuso un total de 4 ace-lerómetros.

• Medición de desplazamientos (LVDTs). Se dispusieron 8LVDTs.

• Inclinaciones. Se dispusieron 8 inclinómetros.• Bandas extensométricas. Se dispuso un total de 4 bandas

extensométricas distribuidas entre los patines de la víaen el estribo 2.

• Temperatura y viento. Se dispusieron 2 termopares y 2sensores para registrar la velocidad y dirección del viento.

9. ESTRUCTURA DE LOS DATOS Y SOFTWARE UTILIZADOComo se ha avanzado anteriormente, con la instrumenta-ción proyectada se perseguía contrastar dos tipos de compor-tamiento de las estructuras:• El que responde a situaciones a largo plazo, como es el

derivado de los procesos reológicos en las estructuras dehormigón, o las variaciones de geometría producidas porefectos térmicos de tipo estacional, que afectan a todotipo de estructura, independientemente del material.

• Aquel que responde a la respuesta dinámica de la estruc-tura al paso del tren.

Para ello se han definieron dos tipos de registros: los re-gistros de carácter estático (para el estudio del comporta-miento de las estructuras a largo plazo) y los registros diná-micos (estudio de la respuesta dinámica durantedeterminados eventos).

El software utilizado tanto para el tratamiento de los da-tos en tiempo real y adquisición de los mismos es propio delsistema de adquisición: IMC Devices, Famos y Famos On-line. Por otro lado el análisis de los registros obtenidos se re-aliza mediante un software desarrollado en el LaboratorioCentral llamado SIACOD (LCEYM).

9.1. TIPOS DE REGISTROSLa frecuencia de muestreo de los datos para todos los puntosde medida ubicados en los viaductos es de 200 datos por se-gundo. Partiendo de los registros en tiempo real se creancuatro canales virtuales por canal de cada sensor. Estos ca-nales virtuales almacenan los datos originales filtrados pre-viamente. Se almacena el valor máximo, mínimo y medio delos datos registrados con una frecuencia de 1 dato por mi-nuto. El cuarto canal virtual realiza un registro reducido al-macenando solo los datos cuando se supera un determinadovalor de amplitud relativa entre datos.

Los datos se almacenan en periodos de 24 horas. Dadoque los diferentes equipos de toma de datos se encuentransincronizados con aparatos de GPS la hora que queda regis-trada corresponde a la hora oficial de España menos dos ho-ras en horario de verano y de una hora en el horario de in-vierno, es decir de tiempo universal o GMT, detalle que noconvenía olvidar para descartar falsas alarmas ligadas a loshorarios de RENFE (sólo disponibles en horario civil).



FIGURA 8. Distribución de los puntos de medida en el puente metálico.


Los registros dinámicos se realizaron, como se ha dicho,con una frecuencia de muestreo de 200 datos por segundo. Serealizó un registro continuo de ensayo dinámico en periodosde 24 horas almacenando solo los registros durante el pasode los diferentes trenes mediante disparo por eventos en lasbandas de las vías. Así pues se obtuvo un archivo por sensory día en el que se recogieron los pasos de los trenes de formaconsecutiva eliminando los registros entre pasos de trenes.

10. INSTALACIÓNEl éxito de un trabajo como el presentado en este artículodepende tanto de una buena planificación del proyecto comode una mejor instalación de todo el sistema.

La instalación del sistema de auscultación se puede divi-dir en dos grandes bloques: por un lado la instalación corres-pondiente a elementos que se ubican en el exterior de la pla-taforma que da paso a las circulaciones (y fuera de la zonade seguridad del viaducto) y aquellas que se localizan en elinterior del viaducto.

Para el primer bloque se necesita de una serie de mediosauxiliares para acceder a los puntos de medida definidos, loque ralentiza y dificulta la puesta en obra de los elementoscorrespondientes.

Para los trabajos en interior del tablero, si bien los reque-rimientos en medios auxiliares no eran tan importantescomo los anteriores, se presenta una dificultad añadida:cuando, como en este caso, la línea se encuentra operativa.Al existir tráfico ferroviario los trabajos en el interior de losviaductos se han de ejecutar en una franja horaria concreta,fuera del horario de circulación de trenes, es decir, de nocheentre las 00:00 horas y 05:00 aproximadamente. Este as-



FIGURA 9. Distribución de los puntos de medida en el puente de hormigón.

FIGURA 10. Esquema de los tipos de registros definidos en la adquisiciónde los datos.

REGISTROS ESTÁTICOS

❏ Frecuencia de muestreo permanente a 200 datos/s.

❏ Mediante software IMC (FAMOS ON LINE).

■ 3 canales virtuales en estático a 1 dato/min.❏ Máximo, Mínimo y Medio.

■ 1 canal virtual pseudodinámico.❏ Reducido (frecuencia en función de varios

parámetros).■ Grabación en continuo.

❏ Puente metálico ➔ 340 canales virtuales estáticos.

❏ Puente de hormigón ➔ 216 canales virtuales estáticos.

REGISTROS DINÁMICOS

❏ Frecuencia de muestreo permanente a 200 datos/s.

❏ Mediante software IMC (FAMOS ON LINE).

■ 1 canal virtual dinámico por cada canal físico a200 datos/s.

■ Grabación por eventos.

❏ Puente metálico ➔ 85 canales virtuales dinámicos.

❏ Puente de hormigón ➔ 54 canales virtuales dinámicos.


pecto dificulta en gran medida las tareas, tanto por la esca-sez de tiempo como por las condiciones de visibilidad.

En la instalación de las conducciones se optó por montaruna canalización independiente a lo largo de los dos viaduc-tos merced a una canaleta metálica para evitar problemasde interferencias con otras instalaciones de ADIF. En la si-guiente fotografía se observa la canalización realizada a lolargo del viaducto así como de dos puntos de medida protegi-dos y un nodo de adquisición.

11. ANÁLISIS DINÁMICO. PUENTE METÁLICOUna vez instalada toda la instrumentación y calibrados to-dos los sensores dio comienzo la fase de adquisición de datos

que se extendió de forma ininterrumpida, salvo un par decortes ocasionales, durante doce meses. En modo estático losdatos se iban procesando estadísticamente sobre la marchautilizando el FAMOS, mientras que las series de lecturas di-námicas activadas por la excitación de la banda pegada enel patín actuando como “trigger” se almacenaban en su tota-lidad. Es decir, que se dispone de más 350 ficheros de datosque contienen una información estacional completa de casitodos los días del año.

Por lo que respecta al modo dinámico el tratamiento erael siguiente: mediante la definición de eventos, el paso de untren o la velocidad extrema del viento, se procedía al regis-tro de los datos dinámicos. De esta manera se obtenía un ar-chivo diario en el que se almacenaba el paso de cada tren



FIGURA 11. Utilización de medios auxiliares en el exterior de los viaductos.

FIGURA 12. Trabajos nocturnos y detalles de acabado de puntos de medida, canalización y nodos.


por los puentes en ambos sentidos. Posteriormente se anali-zaban los datos obtenidos seleccionando un determinadoevento almacenado. Por otro lado, el sistema de adquisiciónpermite un análisis casi inmediato de la señal registradamediante el software que incorpora (FAMOS ®).

La forma de los datos de partida de un ensayo dinámicose puede visualizar en el siguiente gráfico individualizadodel output de uno de los acelerómetros antes de pasar al do-minio de la frecuencia. Este paso se hace con la técnica nu-mérica simplificada de Cooley&Tukey y utilizando los datosde todos los sensores al unísono para obtener las formas mo-dales y autovalores propios. De esta manera se identificanlas características modales de la estructura en modo de aná-lisis modal operacional. El procedimiento operacional con-siste en utilizar como fuerza de excitación de la estructura el

tren que pasa la vía y como señal la estela de vibracionesposterior al paso.

En concreto el análisis se realiza sobre el evento de pasode un tren correspondiente a un AVE de la serie 103. En lasiguiente figura se muestran los registros correspondientesa las bandas extensométricas dispuestas para la deteccióndel tren. Se observa como se recoge perfectamente el paso decada eje por el punto de medida permitiendo la identifica-ción del tipo de tren.

Para el análisis de los datos se ha utilizado el softwareSIACOD desarrollado en el Laboratorio Central de Estruc-turas y Materiales del CEDEX. Se trabaja en el dominio dela frecuencia utilizando los algoritmos de la transformadarápida de Fourier (FFT) mediante la descomposición de laseñal en componentes de frecuencias diferentes. Como veri-ficación del análisis se realiza un estudio en paralelo me-diante un software de uso comercial de la casa LMS llamadoLMS Test Lab. Con el programa desarrollado en el Labora-torio Central de Estructuras y Materiales se han estimaciónlas frecuencias de los primeros modos de vibración y las co-rrespondientes formas modales.

En la figura 15 se muestran los registros obtenidos en to-dos los acelerómetros localizados en el puente metálico, asícomo una estimación previa de los resultados en el dominiode la frecuencia (imagen derecha).

Los valores de las frecuencias fundamentales estima-das y las formas modales de los tres primeros modos de vi-bración de flexión vertical son las que se muestran a con-tinuación. Las tres primeras frecuencias experimentalesextraídas, tal como se aprecia en los gráficos que se acom-pañan a continuación, arrojaron los valores de f1=1.392,f2=1.831 y f3=2.344 Herzios respectivamente, cuando lafrecuencia teórica del primer modo facilitada por el Pro-yectista había sido de 1.33 Herzs, lo que significa unajuste teórico-práctico más que satisfactorio, incluso tra-tándose de un puente en su primer año de servicio y cons-truido con las prescripciones técnicas propias de una nor-mativa rigurosa.



FIGURA 14. AVE –SERIE 103 y registros del paso del tren por el punto de medida.

FIGURA 13. Registros de un acelerómetro de varios eventos. Puentemetálico.




FIGURA 15. Registros de los acelerómetros del paso del tren en el puente metálico.

Modo teórico: 1.33 Hz

1er Modo experimental (1.39 Hz)

2o Modo experimental


12. AGRADECIMIENTOSEl trabajo presentado en este artículo ha sido posible graciasa la colaboración de todos los miembros integrantes del áreade Auscultación de Estructuras del Laboratorio Central deEstructuras y Materiales del CEDEX, con cuyo esfuerzo sepudo culminar el objetivo del proyecto en unos plazos estre-chos y bajo unos condicionantes de extrema dificultad.

Igualmente, hay que agradecer al Administrador de In-fraestructuras Ferroviarias que haya confiado en el Labora-torio Central para llevar adelante esta tarea de investiga-ción a través del Convenio existente entre el CEDEX y elADIF correspondiente al periodo 2006-2009.

También a los proyectistas de ambas estructuras en laempresa P-Delta por los datos de proyecto y la informaciónfacilitada.

Y a la División de Puentes de la empresa INECO-TIFSApor su comprensión y sus sugerencias.

13. REFERENCIAS- M. PAZ. - Dinámica Estructural. Teoría y cálculo. Edito-

rial Reverté, S.A. (2002)- H.JIMIN ; F.ZHI-FANG. – Modal Análisis. Butterworth

Heinemann. (2001)- C.W. de SILVA.- Vibration Monitoring, Testing, and Ins-

trumentation. CRC Press. (2007)- MINISTERIO DE FOMENTO. –Instrucción de acciones a

considerar en puentes de ferrocarril (IAPF). Centro de pu-blicaciones del Ministerio de Fomento (2008)

- K. HOFFMANN. – An introduction to measurementsusing Strain Gages. Hottinger Baldwin MesstechnikGmbH, Darmstadt. (1989)

- R. PALLAS. – Sensores y acondicionadores de señal. Ed.Marcombo. S.A. (1994)

- H. WENZEL. - Health Monitoring of Bridges. Wiley.(2009)

- IMC. – busDAQ CAN-Datalogger User`s Manual. imcMeßsysteme GmbH, Voltastrasse 5, 13355 Berlin. (2007)

- IMC. – FAMOS. Fast Analysis And Monitoring Of Sig-nals. Version 5.0. imc Meßsysteme GmbH, Voltastrasse 5,13355 Berlin. (2002)

- IMC. – CANSAS User's Manual Version 1.4. imc Meßsys-teme GmbH, Voltastrasse 5, 13355 Berlin (2007)

- LCEYM. Sistema de Adquisición y Control de Datos(SIACOD). Manual de usuario. Documento Interno.(2009)

- P-DELTA. Proyecto constructivo de los viaductos de altavelocidad sobre el río Llobregat.

- J.COOLEY&J.TUKEY, An algorithm for the machine cal-culation of complex Fourier series, Math. Comp., 19 (1965)p.p. 297-301

- E.O. BRIGHAM, The Fast Fourier Transform, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1974.

- R. BRACEWELL, The Fourier Transform and its Applica-tions, McGraw-Hill, NY, 1978.

- WILLIAM L. BRIGGS&VAN EMDEN HENSON, TheDFT Manual, SIAM 1995.



3er Modo experimental


Puertos al servicio de todos 8/2/11 11:56 P�gina 1

Composici�n

C M Y CM MY CY CMY K

(*) Dr. Ingeniero de Caminos. CEDEX, Madrid, Spain. E-mail: [email protected](**) Ingeniero de Caminos. CEDEX, Madrid, Spain. E-mail: [email protected](***) Licenciado en Ciencias Físicas. CEDEX, Madrid, Spain. E-mail: [email protected](****) Ingeniero en Electrónica. CEDEX, Madrid, Spain. E-mail: [email protected](*****) Ingeniero Mecánico. CEDEX, Madrid, Spain. E-mail: [email protected](******) Licenciado en Ciencias Geológicas. ADIF, Madrid, Spain. E-mail: [email protected](*******) Ingeniero de Caminos. ADIF, Madrid, Spain. E-mail: [email protected](********) Ingeniero de Caminos. ADIF, Madrid, Spain. E-mail: [email protected](*********) Ingeniero de Caminos. ADIF, Madrid, Spain. E-mail: [email protected](**********) Ingeniero de Caminos. ADIF, Madrid, Spain. E-mail: [email protected]

Ensayos de laboratorio a escala 1:1en el CEDEX para determinar el

comportamiento a corto y largo plazode líneas de alta velocidad

V. CUÉLLAR (*), F. NAVARRO (**), M. A. ANDREU (***), J. L. CÁMARA (****) F. GONZÁLEZ (*****),M. RODRÍGUEZ (******), A. NÚÑEZ (*******), P. GONZÁLEZ (********), J. NAVARRO (*********)

y R. RODRÍGUEZ (**********)

SHORT AND LONG TERM BEHAVIOUR OF HIIGH SPEED LINES AS DETERMINED IN 1:1 SCALE LABORATORY TESTSABSTRACT The paper describes the results obtained in CEDEX’s track box where physical models 21 m long, 4 m high and 5 mwide reproducing at 1:1 scale two different sections of a high speed line, one with granular subballast and the other withbituminous subballast, have been subjected to millions of load applications simulating, in an accelerated way, the pass by, alongthe entire life cycle of the line, of passenger trains circulating at speeds ranging between 300 and 360 km/h. The load applicationsystem used in the tests is explained and its capability to simulate in the track box the effects induced in a real line by verticalmobile loads travelling horizontally at high speed is highlighted. The influence of tamping on the fatigue behaviour of the ballastis assessed and an empirical law reflecting the irrevesible displacements experienced by that material with the number of wheelload applications has been determined. Also, the difference between the static and the dynamic behaviours of the bituminoussubbballast observed in the tests is underlined. Finally, the results obtained in the track models have been validated by comparingthem with the measurements made in two cross sections of a real high speed line having the same geometry and bed layers.

RESUMEN En este artículo se describen los resultados obtenidos en la célula de ensayos del CEDEX con modelos físicos de21 m de longitud, 4 m de altura y 5 m de anchura que, reproduciendo a escala 1:1 dos secciones de vía de alta velocidad,una con subbalasto granular y otra con subbalasto bituminoso, se han visto sometidos a millones de cargas por eje duran-te el proceso de simulación, en forma acelerada, del tráfico de trenes de pasajeros circulando a velocidades comprendidasentre 300 y 360 km/h. Se explica el sistema de carga utilizado y se demuestra su capacidad para reproducir los efectos quetienen en una vía real las cargas verticales de ejes y bogies cuando se mueven horizontalmente a distintas velocidades. Seanaliza la influencia que tienen las operaciones de bateo en la fatiga del balasto y se ha determinado una ley empírica queproporciona las compresiones irreversibles del balasto en función del número de ejes de carga al que se ha visto solicitado.También se destaca la diferencia observada en los ensayos entre los comportamientos estático y dinámico del subbalastobituminoso. Finalmente, se han validado los resultados obtenidos en los modelos físicos con datos registrados en dos tramosde una vía real de alta velocidad con las mismas geometrías y estructuras de capas que en la célula de ensayos.

91

Palabras clave: Ensayos escala 1:1, Vía, Fatiga, Alta Velocidad, Comportamientos estático y dinámico.

Keywords: 1:1 Scale tests, Track, Fatigue, Kigh Speed, Static and dynamic behaviours.



1. CÉLULA DE ENSAYOS ACELERADOS DEL CEDEX

La célula de ensayos acelerados del CEDEX está constituidapor un cajón experimental de 21 m de longitud, 5 m de an-chura y 4 m de profundidad construida para ensayar a es-cala 1:1 secciones completas de vías de ferrocarril convencio-nales y de alta velocidad (ver Fig.1). Tiene la ventaja de queen tan solo una semana de trabajo se puede simular el trá-fico anual de trenes en cualquier línea de ferrocarril. Paraalimentar el sistema de cargas de la Instalación pueden uti-lizarse, tal y como se muestra en los párrafos siguientes, his-torias de carga por eje normalizadas ó historias de carga porrueda e historias de deflexiones de vía registradas al pasode los trenes en líneas reales.

La célula de ensayos consta de nueve marcos metálicosdistribuidos en tres zonas diferentes (Zona 0, Zona 1 y Zona2) tal y como se indica en la Fig. 4. En cada zona dan soportea un sistema móvil de reacción constituido por tres grandes

vigas horizontales equipadas, cada una de ellas, con un ac-tuador dinámico (A, B y C en la Fig.4) de 250 kN de capaci-dad y frecuencias de hasta 50 Hz. Los actuadores se contro-lan, cada uno de ellos independientemente o todos ellossimultáneamente, mediante un sistema digital (FLEXTEST)de MTS que dirige un sistema hidráulico de aceite provistode servoválvulas de tres etapas que funcionan con un caudalde 1800 litros por minuto y una presión de 210 atmósferas.

La estructura de reacción se ha investigado en cada zona,tanto teórica como experimentalmente, para asegurar quesu frecuencia natural está lejos de las frecuencias de paso delos bogies y ejes de carga de los trenes de alta velocidad cir-culando a velocidades de hasta 400 km/h, Manzanas et al.(2007). Dadas las dimensiones del cajón, no se han detec-tado efectos significativos de sus contornos (que no son com-pletamente rígidos) en los estudios con Elementos Finitosrealizados para determinar su influencia tanto en el com-portamiento estático como dinámico de la vía (ver Fig.2).

ENSAYOS DE LABORATORIO A ESCALA 1:1 EN EL CEDEX PARA DETERMINAR EL COMPORTAMIENTO A CORTO Y LARGO PLAZO DE LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD


FIGURA 3. Secciones transversales delos modelos a escala 1:1 construidosen la Zona 0 del cajón.

FIGURA 2. Modelo con Elementos Finitos de la célula de ensayos del CEDEX.FIGURA 1. Célula de ensayos acelerados del CEDEX.

Célula de transporte ferroviario SUPERTRACK


2. MODELOS FÍSICOSCon el fin de reproducir a escala 1:1 secciones de vía de altavelocidad, los dos modelos físicos indicados en la Fig. 3 hansido construidos en el CEDEX. La sección transversal, indi-cada para el modelo 1 en la Fig. 3 fue la adoptada uniforme-mente a lo largo del cajón, mientras que la del modelo 2 re-presenta únicamente la parte del modelo construido en laZona 0, comprendida entre las traviesas –6 y +6 (ver Fig. 4)en la que el espesor de subbalasto bituminoso es 12 cm. Paraoptimizar dicho espesor, dos secciones transversales más con

subbalasto bituminoso han sido ensayadas, cada una de ellasen una zona distinta del cajón: una con 8 cm de mezcla bitu-minosa en la Zona 1 , entre las traviesas –6 y –16, y la otracon 16 cm en la Zona 2 entre las traviesas +6 y +16.

En las Tablas 1 y 2 se proporcionan los tipos de materia-les, parámetros de estado y módulos de deformación de lascapas granulares en cada uno de los modelos físicos de laFig.3, determinados por el CEDEX (2008;2011a).

Para la mezcla bituminosa del subbalasto se determina-ron las siguientes propiedades:

• ÁridosFracción fina (0.063 mm/2 mm): 19.3%Fracción gruesa (2 mm/25 mm): 76.4%

• LiganteTipo: B 60/70Dotación mínima: 5.20% sobre masa de áridos

• Mezcla–Densidad Marshall (UNE EN 12697-30): 2.373Mg/m3

–Estabilidad Marshall (NLT-159): mayor de 13.5 KN–Deformación Marshall (NLT-159): 2.7 mm–Resistencia a la fatiga en flexotracción(NLT-350/90):ε6 = 134.2 με

• Con datos obtenidos en testigos de 100 mm de diámetrode la mezcla bituminosa:

–Densidad: 2,24 Mg/m3

–Módulo dinámico a 10Hz y 29ºC de la curva maestra(NLT-349/90): 3919 MPa

–Módulo estrático a 20ºC de la curva maestra (NLT-349/90 & EN 12697-26): 455 MPa

–Módulo estático a 20ºC obtenido en ensayos de com-presión simple: 250 MPa

• Con datos obtenidos en el material compactado medianteun deflectómetro de impacto:

–Módulo EV2 = 500 MPa a 13ºC.

A la hora de construir un modelo físico en el cajón, lossensores internos, indicados en la Fig. 3, se instalan duranteel proceso constructivo intentando alterar lo mínimo posiblelas diferentes capas, y se realizan ensayos de control paracomprobar que los materiales compactados cumplen las es-pecificaciones de diseño. Junto a los 47 sensores internosinstalados en cada zona para registrar el comportamiento



FIGURA 4. Secciones con subbalastobituminoso ensayadas en el cajón delCEDEX.

TABLA 1. Propiedades de las capas granulares del modelo físico de vía 1.

Capa de la Tipo de ωL lP γD h Ev2 VS

vía material % % KN/m3 % MPa m/s

Balasto ADIF16,5(0,38 m) T1

Subbalasto SUCS17,4 2 22,0 3,5 170 265(0,30 m) GP

Capa deSUCSformaGP

17,4 2 21,5 4,0 165 260(0,60 m)

Terraplén SUCS25,6 7 20,2 7 160 250(2,445 m) GC

TABLA 2. Propiedades de las capas granulares del modelo físico de vía 2.

Capa de la Tipo de ωL lP γD h Ev2 VS

vía material % % KN/m3 % MPa m/s

Balasto ADIF16,5(0,36 m) T1

Capa deSUCS No NoformaGP Plast. Plast.

22,5 3,5 420 400(0,60 m)

Terraplén SUCSsuperior 45,5 32,7 17,5 10 170 280

(1,215 m) GC

Terraplén SUCSinferior 25,6 7 21,2 2 350 380

(1,370 m) GC


estático y dinámico de las capas de asiento de la infraestruc-tura de la vía, se utiliza el conjunto de 74 sensores móvilesindicados en la Fig.5 para controlar el comportamiento delos elementos de la superestructura. Esto asciende, juntocon los sensores de los actuadores, a un total de 128, los sen-sores que son utilizados en cada ensayo de fatiga. El altogrado, con el que un modelo físico puede ser instrumentadoen la célula de ensayos del CEDEX hace de ella una herra-mienta ideal para calibrar modelos numéricos 3D.

Para acondicionar y amplificar las señales proporciona-das simultáneamente por todos los sensores se utiliza unequipo electrónico modular MGC PLUS de Hottinger con ca-pacidad para 128 canales. Dichas señales se procesan me-diante un programa LABVIEW conectado a un sistemaORACLE de base de datos. Para la confección de informes seutiliza también un programa DIADEM.

3. SIMULACIÓN DE CARGAS MÓVILES EN LA CÉLULADE ENSAYOS

A través de múltiples ensayos estáticos realizados tanto insitu como en la célula de ensayos se ha comprobado que ladistribución de las deflexiones de vía “y” originadas por unacarga puntual se pueden predecir con bastante aproxima-ción suponiendo un comportamiento tipo Winkler en la vía:

[3.1]

donde

Q = Carga puntual

x = Distancia horizontal al punto cargado de la vía

K = Rigidez de vía = con ymax determinada en = 0

L = Longitud elástica de vía = siendo EI la rigidez a flexión del carril

Una vez definida la curva de Winkler, el porcentaje decarga Q absorbido por cada traviesa, (la llamada reacción detraviesa), puede determinarse fácilmente a través del módulode vía, concepto éste ampliamente aceptado en la ingeniería

de ferrocarriles. Aplicando dicho concepto, puede demos-trarse que dichos porcentajes prácticamente coinciden conlas ordenadas de la curva de Winkler en cada traviesa dividi-das por el valor ymax. Por otro lado, suponiendo que la cargaQ se mueve horizontalmente sobre la vía a una cierta veloci-dad, “v”, la deflexión que experimenta un punto determinadode la vía cuando la carga puntual se acerca a dicho punto,pasa sobre él y se aleja viene dada por la siguiente expresión:

[3.2]

donde la variable , en el dominio 0 ≤ ≤ 3/4 Π L, ahora re-presenta la distancia entre el punto considerado y la cargapuntual móvil en cada instante de tiempo “t”.

Para x = 0, la historia temporal de deflexiones dada porla ec.[3.2] representa también la que se habría obtenido enese punto aplicando en él una carga vertical inamoviblecuyo valor en cada instante “t” viniese dado por el productode la deflexión “y” y la rigidez de vía K. Si bien dicha histo-ria de cargas verticales inamovibles es capaz de simular co-rrectamente el efecto del paso de los ejes y bogies de un trenpor una traviesa, es incapaz de reproducir las historias delas reacciones que se producen en las traviesas contiguas deuna vía real. Con el fin de intentar reproducir dichas histo-rias en un tramo de vía de 3,5 m de longitud, con 7 traviesasseparadas entre si 0,60 m, se han utilizado en cada zona delcajón 3 actuadores separados entre si 1,5 m y cada uno deellos se ha alimentado con la misma historia de cargas ina-movibles descrita en el punto anterior, una vez desfasadasteniendo en cuenta la velocidad horizontal de paso que sequiere simular en el ensayo. De esta forma, en cada instantede tiempo “t” las 7 traviesas experimentan reacciones indu-cidas simultáneamente por los tres actuadores que se combi-nan para dar el valor instantáneo de la reacción en cadauna de ellas. Comparando la historia de las reacciones pro-ducidas en cada una de las 7 traviesas por la acción simultá-nea de los tres actuadores con las historias de reaccionesque en ellas se producirían en una vía real al paso de losejes y bogies de un tren (las mismas en cada traviesa) sepueden determinar los factores de corrección que hay queaplicar a las cargas verticales de cada actuador para teneren cuenta la separación entre ellos.



FIGURA 5. Conjunto de sensores móviles utilizadosen cada zona del cajón.


En la Figura 6 se muestran, para las 7 traviesas, los dostipos de historias de reacción en traviesa obtenidas, para el

modelo físico de vía 2 (K = 125 KN/mm L = 0,700 m), cuandoun bogie de 3 m de empate con carga por eje de 165 KN se



FIGURA 6. Historias teóricas (en negro la que se obtendría en una vía real y en rojo las debidas al efecto conjunto de los tres actuadores) de las reacciones entraviesas generadas por un bogie circulando a 300 km/h desde la traviesa - 3 a la +3 en el modelo físico de vía 2.


desplaza a 300 km/h desde la traviesa -3 a la +3: en negro,la misma curva teórica para todas las traviesas, represen-tando las historias de cargas que se obtendrían en la víareal y en rojo las curvas teóricas que reflejan el efecto combi-nado de los tres actuadores. Para la obtención de éstas últi-mas se han aplicado factores de corrección de 0,98 y 1,14respectivamente a la amplitud de las cargas proporcionadaspor el actuador central y los dos laterales.

Las historias de las reacciones en traviesa representadasen negro y rojo en la Figura 7 corresponden a un “zoom” delas que aparecen en la Figura 6 para la traviesas 0, +1 y +2.En verde se han dibujado las curvas experimentales obteni-

das mediante bandas extensométricas de cortante que se pe-garon en la fibra neutra de los carriles a ambos lados de lastraviesas 0, +1 y + 2 tal y como se muestra en la Fig. 5. Latécnica utilizada para la interpretación de dichos datos hasido la misma que la puesta a punto por el CEDEX para obte-ner la carga por rueda de trenes de alta velocidad en el pro-yecto europeo INNOTRACK (2009). Puede observarse que,exceptuando la traviesa +1, las curvas experimentales repro-ducen ajustadamente las historias teóricas de las reaccionesde las demás traviesas, incluso los picos de la historia en ne-gro para la traviesa + 1 se reproducen experimentalmentemejor (curva verde) que lo que predice la teoría (curva roja).



FIGURA 7. Historias de reacciones en traviesas, experimental (en verde) y teóricas (en negro y rojo) obtenidas para un bogie con 3 m de empate y cargas poreje de 165 KN circulando a 300 km/h desde la traviesa 0 a la + 2 en el modelo físico de vía 2.


4. ENSAYOS DE FATIGAUtilizando la metodología recién descrita se ha simulado elpaso de dos tipos de trenes en el modelo físico 2: un Euros-tar de 400 m de longitud con 50 ejes (ver Figura 8) circu-lando a 300 y 360 km/h y un ICE de 200 m con 32 ejes (verFigura 9) a 360 km/h. En ambos casos se ha adoptado unacarga uniforme por eje de 165 kN. En los espectros de Fou-rier de las historias de carga de cada uno de dichos trenespueden identificarse fácilmente las frecuencias de 7, 27 y 40Hz asociadas a la longitud de los vagones y a los empates de3 m y 2,5 m de los trenes Eurostar e ICE respectivamente.

Para ejecutar los ensayos de fatiga en el modelo 2 se hasimulado el paso de ambos tipos de trenes con un intervalode 2 segundos entre unidades consecutivas. De esta manerase han aplicado 4M de ejes de carga a cada una de las Zonasdel modelo 2. Cada millón de ejes (el número adoptado pararealizar cada ensayo de fatiga, más ó menos equivalente altráfico que soporta una línea de alta velocidad española du-rante dos años de servicio) se realizaron ensayos estáticoscon cada uno de los actuadores para poder seguir la evolu-ción de las propiedades mecánicas de la vía antes de volvera batear el balasto con la bateadora autónoma de la instala-ción.

4.1. COMPORTAMIENTO A CORTO PLAZO

De los resultados obtenidos en los ensayos estáticos realiza-dos en las distintas Zonas del modelo 2 se deduce que la ri-gidez de vía se mantiene prácticamente constante, alrededorde 130 kN/mm, en cada uno de los ensayos de fatiga de 1 Mde ejes. Las compresión del balasto, que osciló entre 0,260 y0,360 mm al principio de los ensayos y entre 0,245 mm y

0,350 mm al final, representa el 45% de las deflexión del ca-rril y las compresiones de la capa de forma y del terraplén el20%. La compresión del subbalasto bituminoso tan sólo al-canzó el 3% de dicha deflexión. La deformación a tracción dela fibra inferior del subbalasto bituminoso fue la misma alprincipio y al final de cada ensayo de fatiga del carril y os-ciló entre 40 y 70 µε dependiendo del espesor de la capa. Di-chos valores, muy por debajo del valor ε6 = 134,2 µε obte-nido en laboratorio con testigos de la muestra bituminosaempleada, indican que no se produce fatiga a flexotracciónen las capas de subbalasto bituminoso utilizadas en el mo-delo.

Los ensayos de fatiga en el modelo 1 se realizaron simu-lando el paso a 300 km/h de un tren Eurostar de 200 m delongitud con 26 ejes y cargas por eje que oscilaron entre 120kN y 170kN. Al ser éstos los primeros ensayos de fatiga quese realizaron en el cajón se obtuvieron menos datos que conel modelo 2. No obstante, de los ensayos estáticos realizadosal principio y final de cada ensayo de fatiga con 1 M de ejesse obtuvieron valores de rigidez de vía en torno a los 100kN/mm. De igual manera que en modelo 2, la compresióndel balasto fue el 45% de la deflexión del carril y el conjuntode las deflexiones de las restantes capas de asiento del mo-delo llegó a ser el 30% de esa deflexión.

Las rigideces de vía calculadas en ambos modelos a par-tir de la amplitud de los desplazamientos verticales de loscarriles obtenidos durante los procesos de simulación delpaso de trenes a distintas velocidades fueron un 5% inferio-res a los valores obtenidos en los ensayos estático. Para lacapa de subbalasto bituminoso se obtuvo en el modelo 2 unmódulo de Young dinámico 2,2 veces mayor que el obtenidoen ensayos de compresión simple con testigos de la mezcla



FIGURA 8. Simulación en la célula de ensayos de un tren Eurostar circulando a 300km/h .


bituminosa. En ambos modelos la amplitud de la velocidadvertical de los carriles fue de 40-45 mm/s y en ellos se midie-ron picos de aceleración comprendidos entre1g y 2g. La am-plitud de la velocidad con la que vibraron las traviesas fuede 20-30 mm/s y los picos de sus aceleraciones estuvieroncomprendidos entre 0,6g y 1,2g. El balasto en contacto con lacara inferior de las traviesas vibró con las mismas amplitu-des de velocidad y aceleración que ellas. En ambos modelosse obtuvieron picos de velocidad de 5-15 mm/s en la partesuperior de la capa de forma y de 2-4 mm/s en su parte infe-rior. Las medidas que se hicieron en el entorno del cajón, auna distancia de 1m de sus zapatas de cimentación, arroja-ron valores picos de 1-2 mm/s.

4.2. COMPORTAMIENTO A LARGO PLAZO

El aspecto más relevante de la célula de ensayos del CE-DEX, además de poder determinar el comportamiento acorto plazo de una sección de vía, es la posibilidad que tienede realizar ensayos de fatiga de forma acelerada. En la Fi-gura 10 se muestran las compresiones irreversibles del ba-lasto obtenidas en el último ensayo de fatiga realizado en laZona 0 del modelo físico 2 con 12 cm de subbalasto bitumi-noso. El ensayo en el que se aplicaron 2.350.000 cargas deeje de 165 kN cada una tuvo tres fases. Las primeras300.000 cargas se aplicaron simulando el paso de un trenEurostar a 300 km/h. Al final de esa fase se aumentó la ve-locidad de paso de los trenes a 360 km/h y con la misma am-plitud de carga se aplicaron 500.000 ejes más. En la últimafase (desde los 800.000 a 1.530.000 ejes) se cambió el tipo detren manteniendo la misma velocidad de paso (360 km/h) yamplitud de carga por eje (165 kN). En esa fase se simuló el

paso de trenes ICE con empate en los bogies de 2,5 m en lu-gar de los 3 m de los trenes Eurostar.

Como puede observarse en la Figura 10, las compresionespermanentes de balasto proporcionadas por los sensores dedesplazamiento instalados en las traviesas 0 (curva roja) y 2(curva azul) prácticamente coinciden. Al principio de la se-gunda fase se detectó un pequeño salto en ambas curvas defatiga que a pesar de separarse más que en la primera fasemantienen la misma forma y pendiente. El aumento a 40 Hzde la frecuencia de paso de los bogies en la tercera fase pro-dujo tan sólo un ligero aumento de pendiente en ambas cur-vas de fatiga.

En lo que se refiere al comportamiento a largo plazo delbalasto sometido a bateos periódicos cada millón de ejes decarga, en la Figura 11 se han recogido los resultados de cua-tro ensayos consecutivos de fatiga que, sumando un total de4 millones de ejes, se realizaron en la Zona 1 del modelo 2con 8 cm de subbalasto bituminoso. Como ya se ha mencio-nado anteriormente, el balasto se bateó entre cada dos en-sayos consecutivos de fatiga utilizando la bateadora autó-noma del CEDEX. El hecho de que los bates de dichamáquina, al igual que ocurre en la vía real, tan sólo afectana los 15 cm superiores de la masa de balasto aparece refle-jado en la diferencia de compresiones permanentes del ba-lasto que se obtuvieron entre el primero y el resto de los en-sayos de fatiga. Tras la consolidación primariaexperimentada por los 15 cm inferiores del balasto duranteel primer ensayo de fatiga, ese material que no se vió afec-tado por las operaciones de bateo contribuyó en menor gradoque el material bateado a las compresiones permanentes dela capa de balasto. Un comportamiento similar pudo obser-varse en las demás zonas del cajón.



FIGURA 9. Simulación en la célula de ensayos de un tren ICE circulando a 360 km/h.


En la Fig. 12 se presentan las curvas de fatiga a compre-sión del subbalasto bituminoso y de la capa de forma obteni-das en la Zona 1 del modelo físico 2 con 8 cm de subbalastobituminoso. Aunque aparentemente el subbalasto bitumi-noso se fatiga menos, para una correcta interpretación delos datos representados en dichas curvas hay que tener en

cuenta los espesores de las capas: 80 mm en el subbalastobituminoso y 600 mm en la capa de forma.

Con el fin de comparar los resultados obtenidos en la célulade ensayos del CEDEX con otros publicados en la literatura,se ha intentado identificar una ley matemática que permitareproducir los datos de las curvas de fatiga del balasto obteni-



FIGURA 10. Compresiones permanentes del balasto obtenidas en el ensayo de fatiga con tres fases realizado en la Zona 0 del modelo físico 2.

FIGURA 11. Curvas de fatiga del balasto obtenidas en la Zona 0 del modelo físico 2.


das cada millón de ejes de carga de 165 kN. De las diferentesformulaciones ensayadas, la siguiente expresión potencial esla que mejor se ajusta a los datos registrados en los ensayos:

donde

representa la compresión permanente (mm) alcanzadatras N de ejes de 165 kN

representa la compresión permanente(mm) alcanzadatras la primera carga de 165 kN

es una constante relacionada con la pendiente de lacurva de fatiga que se obtiene mediante un ajuste demínimos cuadrados a los datos experimentales.

En la Figura 13 se muestran los tipos de ajuste conseguidoscon dicha ley de los datos experimentales obtenidos en los tresúltimos ensayos de fatiga realizados en la Zona 1 del cajón con8 cm de subbalasto bituminoso. En la Tabla 3 se proporcionan,junto con los coeficientes de correlación R2 obtenidos en cadauno de dichos ajustes, los valores de la variable δ1 ( el experi-mental y el hallado mediante el ajuste de mínimos cuadrados).Con los datos de la Tabla 3 y los obtenidos en los demás ensa-yos de fatiga realizados en distintas zonas del cajón se ha po-dido definir la siguiente ley de fatiga como la más representa-tiva del comportamiento a fatiga del balasto sometido al pasode trenes Eurostar e ICE con ejes de carga de 165 kN.

5. VALIDACIÓN DE LOS RESULTADOS EN LA CÉLULA DEENSAYOS CON MEDIDAS IN SITU

Con el fin de validar los resultados obtenidos en la célula deensayos del CEDEX, se han construido dos tramos experi-mentales de 500 m de longitud cada uno en la localidad deValdestillas situada en la línea de alta velocidad Madrid-Va-lladolid, 5 km antes de Valladolid: una con 12 cm de subba-lasto bituminoso y la otra con 30 cm de subbalasto granular.

En ambos tramos, el terraplén de la vía de 2 m de altura,sirve de apoyo a una capa de forma de 30 cm de espesor deuna arena arcillosa estabilizada con cal que se compactó con

un peso específico seco de 17,3 kN/m3 y una humedad del12%. Los ensayos con placa de carga que se realizaron en laparte superior del terraplén y de la capa de forma proporcio-naron valores EV2 de 100 MPa y 125 MPa respectivamente.

El subbalasto granular utilizado en uno de los tramos estáconstituido por un material GP no plástico según el SistemaUnificado de Clasificación de Suelos que se compactó con unpeso específico seco de 22,3 kN/m3 y una humedad del 4%.Los ensayos con placa de carga que se realizaron en la partesuperior de dicha capa arrojaron un valor EV2 = 235 MPa.

Comparando el tramo con subbalasto granular de Valdes-tillas con el modelo físico 1 construido en la célula de ensa-yos del CEDEX se observa una coincidencia bastante nota-ble entre la media de los valores EV2 obtenidos para elsubbalasto y la capa de forma en ambas vías (170 Mpa en elmodelo 1 según los valores dados en la Tabla 1 y 180 Mpa enel tramo de Valdestillas).

En lo que se refiere al subbalasto bituminoso, la mezclautilizada en el tramo de Valdestillas tiene casi las mismascaracterísticas que la del cajón, habiéndose obtenido en laprimera un valor ε6 = 87 µε que siendo inferior al obtenidoen la mezcla del cajón representa una resistencia mayor a lafatiga en flexo-tracción. Los ensayos de laboratorio realiza-dos con testigos de 10 cm de diámetro, obtenidos en la mez-cla compactada en Valdestillas, proporcionaron una densi-dad de 2,32 Mg/m3 y una curva maestra de la que se obtuvoun módulo dinámico a 10 Hz y 20ºC de 7890 Mpa. Con el de-flectómetro de impacto y una temperatura in situ de 38 ºCse obtuvieron valores EV2 de la mezcla de unos 400 MPaequiparables a los obtenidos en la mezcla de cajón tras supuesta en obra (500 MPa a 13ºC).



FIGURA 12. Curvas de fatiga delbalasto obtenidas en la Zona 0 delmodelo físico 2.

TABLA 3. Ajuste con expresiones potenciales de las curvas de fatiga delbalasto obtenidas en la Zona 1 del modelo físico 2.

ENSAYO DE δ1 (mm) δ1 (mm) β R2

FATIGA EXPERIMENTAL TEÓRICO

SEGUNDO 0.072 0.080 0.155 0.994

TERCERO 0.068 0.083 0.158 0.987

CUARTO 0.063 0.076 0.162 0.989




FIGURA 13. Ajuste de las curvas defatiga del balasto obtenidas en laZona 1 del modelo físico 2 conexpresiones potenciales.


La línea Madrid-Valladolid se abrió al tráfico a finalesdel año 2007. Desde entonces ha estado soportando un trá-fico de 250.000 ejes por año.

Utilizando en los dos tramos de Valdestillas los mismossensores de superficie que los utilizados en el cajón (ver Figura5) CEDEX llevó a cabo medidas in situ en Junio y Noviembrede 2009 y en Noviembre de 2010. En dichas campañas se re-gistró el paso a 250 km/h de trenes con bogies y cargas por ejesimilares a los del tren ICE. En las campañas de Junio y No-viembre de 2009, en las que se registraron unas temperaturasmedias mensuales de 18ºC y 9ºC respectivamente en Vallado-lid, no se encontraron diferencias apreciables en las rigidecesde vía del tramo con subbalasto bituminoso que se mantuvie-ron en torno a los 120 kN/mm. En lo que se refiere al tramocon subbalasto granular, en todas las campañas se obtuvo unarigidez de vía de 110 kN/mm. Ambos valores de rigidez de víaobtenidos in situ son similares a los comentados en este artí-culo en relación con los modelos físicos de vía 1 y 2 construidosa escala 1:1 en la célula de ensayos del CEDEX.

6. AGRADECIMIENTOSLos autores de este artículo desean agradecer en primer lugarla labor de montaje y ejecución de ensayos en el cajón llevadaa cabo por los técnicos del Laboratorio de Geotecnia D. ÁngelCarballo Hernández, D. Antonio García Jiménez, D. PedroLeón Durán y D. Raúl Reinoso Cámara. También deseanagradecer al personal técnico del Área de Auscultación y En-

sayos de Campo del Laboratorio de Geotecnia y del Laborato-rio de Infraestructura Viaria los datos proporcionados sobre elcomportamiento de vías reales que han permitido validar losresultados obtenidos en los modelos a escala 1:1 construidosen la célula de ensayos. Por último, se reconoce la ayuda pres-tada en la interpretación de los ensayos por el Ingeniero In-dustrial D. Ricardo Fernández-Hidalgo Arroyo.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASCEDEX, 2008.Ensayo de fatiga de una vía de alta velocidad en la instala-ción para infraestructuras ferroviarias del CEDEX, Conve-nio ADIF-CEDEX 2006-2009: Ficha 1, 178 pp.

CEDEX, 2011. Ensayos de fatiga de una vía de alta velocidad con 12 cm desubbalasto bituminoso en la instalación del CEDEX, Enco-mienda de Gestión ADIF-CEDEX 2010-2013: Ficha 5, 367 pp.

INNOTRACK, 2009.Deliverable D2.1.10, Methods of track stiffness measure-ments, 36 pp.

Manzanas, J., Moreno, J., Cuéllar, V., Andreu, M.A. & Nava-rro, F., 2007. CEDEX’s experimental facility for testing rail-way tracks, Proceedings 14th European Conference on SoilMechanics and Geotechnical Engineering, Madrid, Vol.4, pp.2037-2055.



1. INTRODUCCIÓNEl trabajo aquí presentado tuvo por finalidad el cumplimien-to de los objetivos dispuestos dentro del marco del Conveniode Colaboración entre ADIF y CEDEX, desarrollado entre losaños 2006 y 2009, y que se encuadraba dentro de su Ficha 3como “Soluciones constructivas en las zonas de transiciónpara optimizar el cambio de rigidez de plataforma”. Estacolaboración responde al apoyo de la participación de ADIFen el Proyecto Integrado INNOTRACK del 7º ProgramaMarco de la Comisión Europea ejecutado durante el periodo2006-2009 por distintas instituciones y centros de investiga-ción europeos.

El objetivo general perseguido por los trabajos realizadosfue determinar las variaciones de rigidez de vía en una zonade transición. El emplazamiento elegido por ADIF a princi-pios de 2007 para el estudio y desarrollo de las campañas decampo se sitúa en el bloque del estribo nº1 del viaducto deBorges Blanques, localizado en el P.K. 463.169 del sector

Variaciones de rigidez de víaen zonas de transición

A. TIJERA (*), R. RUIZ (**) V. CUÉLLAR (***)y M. RODRÍGUEZ (****)

TRACK STIFFNESS VARIATIONS IN TRANSITIONS ZONESABSTRACT In this paper the study performed to check the track stiffness changes that take place in a transition zonebetween a bridge and plain track is described. The results, analysis and conclusions obtained from three measurementscampaigns carried out in the chosen transition zone, located in the Madrid-Barcelona-French border high speed line, arepresented. In order to obtain the track stiffness changes, different cross sections were defined and instrumented during thosecampaigns. Furthermore, to obtain wheel load and rail deflection, both necessary for calculating track stiffness, newmethodologies for in situ measurements and data analysis have been developed.

RESUMEN En este artículo se describen los trabajos realizados para el estudio de los cambios de rigidez de vía que se produ-cen en una zona de transición entre viaducto y vía plena. Se presentan los resultados, el análisis y las conclusiones que se des-prenden de tres campañas de medidas llevadas a cabo en la zona de transición elegida para el estudio y situada en la línea dealta velocidad Madrid-Barcelona-frontera francesa. Durante las campañas se definieron e instrumentaron sobre la vía variassecciones con diferentes características estructurales con el fin de obtener la variación de la rigidez de vía de unas zonas aotras. Además, para la obtención de las cargas por rueda y de las deflexiones de carril, ambas necesarias para el cálculo de larigidez de vía, se pusieron a punto nuevas metodologías para las medidas in situ y el análisis de los registros obtenidos.

103

Palabras clave: Zona de transición, Rigidez de vía, Cargas, Deflexiones.

Keywords: Transition zones, Track stiffness, Wheel loads, Vertical deflections.


(*) Licenciado en Ciencias Físicas. E-mail: [email protected](**) Licenciado en Ciencias Físicas. E-mail: [email protected](***) Dr. Ingeniero de Caminos. E-mail: [email protected](****) Licenciado en Ciencias Geológicas. E-mail: [email protected]

FIGURA 1.1. Situación del viaducto estudiado (punteado en rojo sobre elmapa) cerca de la localidad de Borges Blanques.

Lleida-Martorell de la línea de alta velocidad Madrid-Barcelona-frontera francesa (Fig. 1.1).


Este viaducto tiene una longitud de 168 m, se compone deseis vanos y soporta una plataforma de doble vía de anchointernacional (Fig. 1.2).

El terraplén situado cerca del primer estribo tiene unalongitud de 420 m, una anchura de 14 m y una altura media

de 8 m. La infraestructura de la vía, en la parte superior delterraplén, está constituida por una capa de subbalasto gra-nular de 0,30 m y una capa de forma de 0,60 m (Fig. 1.3).

La transición entre puente y terraplén en este viaducto serealizó mediante bloques técnicos recomendados por ADIF

VARIACIONES DE RIGIDEZ DE VÍA EN ZONAS DE TRANSICIÓN


FIGURA 1.2. Viaducto de seis vanos de Borges Blanques donde se desarrollaron los trabajos.

FIGURA 1.3. Terraplén próximo al estribo nº1 del viaducto.

para estos casos, y que viene reflejado en el Código UIC 719R(2008), ver Fig. 3.1.

En dicha figura puede observarse cómo hasta una distan-cia máxima de 19,20 m desde la junta estructural entre elviaducto y su estribo se prolonga, a lo largo de la zona detransición, el uso de suelas bajo traviesa que, con un espesorde 5±0,5 mm, proporcionaron en los ensayos de control unaDureza de 80±5 Shore A.

2. TRABAJOS REALIZADOSCon el fin de poder comparar el comportamiento de los dosbloques técnicos que forman la zona de transición, donde setiene material granular (MG) y material tratado con cemen-to (MT), con el de la vía plena (terraplén 1 en Fig. 3.1), seinstrumentaron seis secciones transversales (S1 a S5 en lafigura). En ellas se instalaron diferentes sensores y disposi-tivos para medir el movimiento absoluto del carril inducido

por el paso del tren (deflexiones de carril). Además, tambiénen todas las secciones, se pegaron en la fibra neutra de loscarriles bandas extensométricas de cortante con el objetivode determinar la historia de cargas inducidas por el tráficode trenes. El cociente entre las cargas y las deflexiones gene-radas en el carril proporciona los valores de rigidez de la vía.

Se llevaron a cabo tres campañas de toma de datos en víadurante los años 2007 y 2008. En mayo de 2007 se desarrollóuna primera campaña de medidas en una de las vías. Graciasa ella se determinó la metodología más adecuada para el cál-culo de las deflexiones del carril y las cargas inducidas sobreéste durante el paso de un tren. En una segunda campaña,en junio de 2008, se probó y se puso a punto un nuevo proce-dimiento para medir las deflexiones del carril. Finalmente,durante una última campaña tomando medidas en ambasvías en septiembre de 2008, se aplicaron las conclusiones ynuevas metodologías desarrolladas hasta entonces para ladeterminación de los valores de rigidez de vía.


3. INSTRUMENTACIÓN Y METODOLOGÍAComo ya se ha comentado anteriormente, para calcular losvalores de rigidez de la vía en diferentes zonas se instrumen-taron seis secciones transversales a ésta. Dos de ellas sonespecialmente interesantes: la sección S1 en la interfaz hor-migón-suelo entre el estribo y la zona de transición; y la sec-ción S3’ donde desaparece el uso de las suelas bajo traviesa.Los sensores, cumpliendo las especificaciones AEAT REN-VIB II (2003), se colocaron en los raíles y las bases de medi-da en los márgenes de las vías con el objetivo de obtener losmovimientos inducidos y las cargas generadas sobre el carrilpor el paso de los trenes. La ubicación, las distancias relati-vas y las zonas de control de cada sección se detallan en Fig.3.1 y tabla 3.1.

Para facilitar la colocación de los sensores en la vía senumeraron las traviesas en orden creciente desde el puenteal terraplén. La primera, T0, corresponde a la localizada enla junta estructural entre el puente y el estribo y la última,T90, se encuentra al final de la sección S5 (Fig. 3.1).

La determinación de las deflexiones del carril se llevó acabo según dos métodos: con medidas directas mediante undispositivo láser y con medidas indirectas a partir de la inte-gración de señales de geófonos de 2 Hz instalados en el carril(Fig. 3.2).

El dispositivo láser mide los movimientos verticales rela-tivos entre un receptor situado en el patín del carril y un emi-sor de haz horizontal que se encuentra situado en una basefija. Para conseguir estas bases se perforaron, en las seccio-nes S2, S3, S4 y S5, cuatro sondeos en la zona de seguridad

de la vía 2 a una distancia de unos 3.7 m desde el raíl exte-rior. Se fijó una barra de 20 mm de diámetro en cada uno deestos sondeos anclándola al cimiento de la zona de transiciónen las secciones S2, S3 y S4 y al cimiento del terraplén en lasección S5 (Fig. 3.3). En la sección S1 la base fija se ancló ala aleta exterior del estribo. Como una medida alternativa alas bases fijas diseñadas tal y como se ha descrito anterior-mente, se probó el uso de unos trípodes que, para conseguirque se comportaran como bases fijas, se cargaron con pesosmuertos para darles consistencia y estabilidad. (Fig. 3.3).



FIGURA 3.1. Secciones instrumentadas en el viaducto de Borges Blanques (distancias medidas en metros).

TABLA 3.1. Identificación y situación de las secciones planteadas

SECCIÓN P.K. DISTANCIA RELATIVA ZONA DE CONTROL

S1 463+080.20 4,60 m la junta estructural Interfaz del estribo hormigón-suelo

S2 463+073.00 7,20 m desde S1 Materialgranular QS3

sobre mterial tratadocon cemento

S3’ 463+065.20 7,80 m desde S2 Desaparición del usode suelas bajo traviesa

S3 463+063.40 9,60 m desde S2 Material granular QS3

S4 463+055.00 8,40 m desde S3 Terraplén sobrematerial granular QS3

S5 463+031.60 23,40 m desde S4 Terraplén


Los geófonos de 2 Hz, gracias a sus reducidas dimensio-nes y masa, son muy manejables y por tanto son apropiadospara fijarlos de manera sencilla y rápida al patín del raíl(Fig. 3.2). El uso de geófonos frente al de acelerómetros, tam-bién de peso y dimensiones reducidas, se justifica debido aque los geófonos presentan la ventaja de no necesitar ali-mentación eléctrica externa y además permiten una correc-ción más sencilla de la línea de base de las señales integra-das durante su tratamiento. Por otro lado tienen el inconve-niente de que, como estos sensores se comportan como unsistema de un grado de libertad, modifican las señales reci-bidas debido a sus propias características de funcionamien-to y diseño.

En la Fig. 3.4 se han representado las curvas característi-cas de los geófonos de 2 Hz seleccionados para caracterizar ladeflexión de los carriles.

Observando las curvas de Fig. 3.4 se puede ver que mien-tras que los sensores de 2 Hz elegidos no modifican significa-tivamente los módulos (amplitudes) de las señales recibidaspor debajo de su frecuencia natural (2,11 Hz), sí afectan sus-tancialmente a las fases dentro del rango de 0-20 Hz. Asípues, antes de integrar las señales obtenidas con estos senso-res para obtener las deflexiones absolutas del raíl, es necesa-rio corregir las señales como se indica en la Fig. 3.5.



FIGURA 3.2. Sistema dehaz láser y geófono de2 Hz usado para calculardeflexiones en el carril.

FIGURA 3.3. Barra fija ytrípode usados comobases de referencia delemisor láser para lasmedidas de lasdeflexiones del carril.

En la figura 3.5 se observa que la corrección de fase serealiza en el dominio de la frecuencia de la señal. Con latransformada de Fourier inversa de esta señal corregidaobtenemos un registro temporal de velocidades que ya sepuede integrar y obtener así el registro temporal de despla-zamientos absolutos del carril. No se creyó necesario reali-zar una corrección similar sobre los valores de amplituddebido a que habría que considerarla para frecuencias infe-riores a 2,11 Hz, por lo que afectaría poco al resultadofinal.

FIGURA 3.4. Curvas de respuesta de los geófonos de 2 Hz seleccionados(ωN = 2,11 Hz; D = 67,6%).

FIGURA 3.5. Corrección a aplicar a las medidas obtenidas con losgeófonos de 2 Hz.


Las medidas de las cargas se obtuvieron también segúndos procedimientos:i) A partir del método estándar explicado en Fig. 3.6, en el

que se calcula la diferencia entre los esfuerzos cortantesinducidos por las ruedas en dos puntos separados entre sí30 cm y situados entre dos traviesas consecutivas (Fig.3.7).

ii) Por medio de la determinación de un factor de conversiónpara determinar estas cargas a partir del valor QDP obte-nido como diferencia de picos del registro de una solabanda. Estos factores fueron calculados y utilizados parael análisis de los datos obtenidos en la campaña de 2007.El valor obtenido para los trenes ALVIA de esa campañafue de 1,27±0,02 (Fig. 3.8).



FIGURA 3.6. Disposición esquemática del sistema de bandasextensométricas usadas para el cálculo de las cargas por rueda (Q).

FIGURA 3.7. Registro temporal de cortantes (Q1 y Q2) y cargas (Q)obtenidas para el tren ALVIA del día 08-05-07 en la sección S2.

FIGURA 3.8. Relación entre las cargas medias por rueda calculadas apartir de seis trenes ALVIA de dieciséis ejes por medio de dos bandas Q,y las calculadas a partir de una banda QDP, en las secciones S2 y S5para la determinación del factor de conversión Q/QDP.

Primera campaña: en mayo de 2007 y con la línea total-mente consolidada debido al tráfico de trenes. El objetivo eradeterminar la metodología más adecuada para medir correc-tamente las deflexiones del carril y las cargas producidassobre éste por el paso del tren. Además también se pretendíaanalizar la información generada por otros sensores de medi-da instalados a parte de los estrictamente necesarios paramedir deflexiones y cargas. Se registraron pasos de trenesALVIA (200 km/h) (Fig. 4.1) sólo en la vía 2, sentidoBarcelona-Madrid.

Segunda campaña: en junio de 2008. Los registrostomados en este caso sirvieron para probar el método indi-recto de medida de las deflexiones producidas en el carril apartir de la instalación de geófonos de 2 Hz sujetos a la basedel mismo. Además se comparó el comportamiento entre lautilización de barras ancladas y trípodes como bases fijas(descrito en el apartado 3). Los trenes analizados fueronAVE S-103 (300 km/h) medidos únicamente en la vía 2 (Fig.4.2).

Tercera campaña: en septiembre de 2008, con la línearecientemente bateada, se desarrolló una última campañapara comprobar el efecto de los trenes circulando en ambasdirecciones (vías 1 y 2). Además se pusieron en práctica losinstrumentos de medida y conclusiones generados en lascampañas anteriores. Se analizaron trenes ALVIA (200-250km/h) y AVE S-103 (250-300 km/h).

4. CAMPAÑAS REALIZADASPara estudiar el comportamiento de la línea férrea en las sec-ciones ya comentadas, se llevaron a cabo las siguientes cam-pañas:

FIGURA 4.1. Disposición de ejes de los trenes ALVIA estudiados.


Durante la primera campaña se midieron las deflexionesinducidas por el paso de un tren en el centro de un único vano(separación entre traviesas de 0,60 m), fijando el receptorláser en su centro. Después se procedía a mover el receptor aotro vano dentro de la misma sección y se registraba el pasode otro tren. Este procedimiento se repitió para cubrir distin-tas posiciones dentro de la misma sección.

En cambio, durante la tercera campaña, se colocaron, ade-más de un sistema láser, seis geófonos de 2 Hz cubriendo unazona de seis traviesas consecutivas pudiéndose así obteneren cada vía registros simultáneos de toda una sección (Fig.4.3). La señales brutas se trataron según el procedimientodescrito anteriormente en el apartado 3 y se compararon conlas del láser del mismo tren situado entre las traviesas cen-trales de la sección estudiada (Fig. 4.4).

5. RESULTADOS OBTENIDOS5.1. 1ª CAMPAÑA (MAYO 2007)En mayo de 2007 se registró el paso de trenes por la vía 2correspondiente al sentido de salida del viaducto en la direc-ción Barcelona-Madrid. Para realizar el análisis de las dife-rentes secciones se seleccionaron seis trenes ALVIA (tabla5.1.1). Mediante la instalación de un sistema de detecciónláser se registró el paso de los trenes por cada sección. Laposición del láser, junto con el resto de sensores instalados en

la vía, se referenciaron según los números asignados a lasdos traviesas que definen el vano correspondiente de la vía(tabla 5.1.1).



FIGURA 4.2. Disposición de ejes de los trenes AVE S-103 estudiados.

FIGURA 4.4. Comparación de las deflexiones obtenidas con el láser y conel geófono de 2 Hz.

FIGURA 5.1.1. Valores extremos y medios de las cargas por ruedainducidas por los trenes ALVIA en mayo de 2007.

FIGURA 4.3. Disposición de los geófonos de 2 Hz de la sección S1 en lavía 1 en septiembre de 2008.

TABLA 5.1.1. Trenes ALVIA seleccionados y posiciones sobre la víaocupadas por el receptor láser en la campaña de mayo de 2007.

TREN SECCIÓN

FECHA HORA S1 S2 S3 S4 S5

08-05-07 20h 47’ - T19-T20 T33-T34 T47-T48 T86-T87

09-05-07 16h 45’ - - T37-T38 T51-T52 T88-T89

10-05-07 16h 46’ T14-T15 - - - T91-T92

11-05-07 10h 47’ - T16-T17 - - T85-T86

11-05-07 20h 44’ - T18-T19 T35-T36 T49-T50 -

12-05-07 10h 55’ T15-T16 T17-T18 T35-T36 T50-T51 T87-T88


Los valores máximos, mínimos y medios de carga porrueda obtenidos para cada sección y para los trenes indicadosen la tabla 5.1.1 aparecen representados en Fig. 5.1.1.

Los valores medios de carga por rueda obtenidos para lasdiferentes secciones fueron:• S1: 78 KN.• S2: 84 KN.• S3: 78 KN.• S4: 80 KN.• S5: 72 KN.

Para la determinación de los valores de rigidez de vía setomaron los registros de carga junto con los registros de defle-xión medidos con el láser. En Fig. 5.1.2 se representan los regis-tros de carga por rueda (Q) y deflexiones entre las traviesas T19-T20 de la sección S2 producidas por el tren del día 08-05-07.

En las tres gráficas de la Fig. 5.1.3 vienen representadoslos valores obtenidos, para los dieciséis ejes del tren mencio-nado anteriormente, de las cargas, deflexiones y rigidez devía. El valor medio de rigidez obtenido en este caso es de 118KN/mm con una desviación estándar de 13 KN/mm.

Si desechamos los valores de los dos ejes que presentanmayor dispersión respecto a la media se obtiene un valormedio de 117 KN/mm con una desviación estándar de 8,7KN/mm. Debido a que en este último caso la desviación obte-nida es inferior al 10%, es el valor de 117 KN/mm el que seconsideró como representativo para el punto de la sección S2situado entre las traviesas T19-T20 de la vía 2.

Siguiendo un procedimiento similar se determinaron losvalores de rigidez de vía para el resto de secciones y trenesindicados en tabla 5.1.1. Estos resultados finales aparecen enlas tablas siguientes (tabla 5.1.2 a tabla 5.1.6):



FIGURA 5.1.3. Distribución por ruedas de los valores de cargas, deflexionesy rigideces de vía obtenidos a partir de los registros de la figura Fig. 5.1.2.

FIGURA 5.1.2. Historias de cargas por rueda y deflexiones de carrilutilizadas para calcular los valores de rigidez de vía para la sección S2(tren ALVIA del día 08-05-07).

POSICIÓN EN VÍA

T14-T15 T15-T16

191 171

TABLA 5.1.2. Valores representativos de rigidez de vía en KN/mmobtenidos para la vía 2 en la sección S1 a partir del paso de trenes ALVIAen la campaña de mayo de 2007.

POSICIÓN EN VÍA

T16-T17 T17-T18 T18-19 T19-T20

194 184 148 117


POSICIÓN EN VÍA

T33-T34 T35-T36 T37-T38

104 124 ; 144 172


POSICIÓN EN VÍA

T47-T48 T49-T50 T50-T51 T51-T52

172 148 158 172


POSICIÓN EN VÍA

T85-T86 T86-T87 T87-T88 T88-T89 T91-T92

145 137 140 140 143



5.2. 2ª CAMPAÑA (JUNIO 2008)Gracias a esta campaña se pudo validar y poner a punto unmétodo indirecto de medida de las deflexiones producidas enel carril a partir de la instalación en éste de geófonos de 2 Hz.Se concluyó que los registros de estos geófonos, previamentetratados y posteriormente integrados, ofrecían medidas fia-bles del desplazamiento absoluto del carril similares a lasobtenidas en el mismo punto por un sistema láser. Tambiénse determinó que la utilización de trípodes móviles, comobases fijas de referencia para la medida de las deflexionescon láser, era mejor opción que el uso de barras ancladas a loscimientos a través de sondeos.

Estas conclusiones y la metodología desarrollada fueronaplicadas en la campaña siguiente.

5.3. 3ª CAMPAÑA (SEPTIEMBRE 2008)Para analizar el efecto del sentido de paso de los trenes seseleccionaron una serie de ellos de entre los registradosdurante la campaña de septiembre de 2008. En concreto setomaron ocho trenes AVE S-103 con una velocidad de paso de300 Km/h, y seis trenes ALVIA con velocidades de 200 Km/h.En las tablas siguientes (tabla 5.3.1 y tabla 5.3.2) se indicanestos trenes seleccionados junto con la referencia de las tra-viesas consideradas en cada punto, sección y vía.

En este caso, además de usar sistemas láser para regis-trar el paso de los trenes, también se dispuso de los regis-tros generados por geófonos de 2 Hz instalados en ambasvías y en cada sección, tal y como se indicó en el aparta-do 4.

Para la obtención de los valores de rigidez de vía repre-sentativos se siguió un procedimiento similar al expuestoanteriormente para el análisis de los trenes ALVIA de la

campaña de mayo de 2007. En este caso se disponía de losregistros generados por láser y geófonos para la obtención dela historia de deflexiones del carril.

En las Fig. 5.3.1 a Fig. 5.3.4 se representan las rigidecesde vía obtenidas para las secciones S1, S2, S3 y S3’ conjunta-mente y S5. Estos valores, que están representados enKN/mm, aparecen asociados a sus correspondientes posicio-nes sobre la vía, de la que se especifica además su sentido ytipo. Para su obtención se han calculado las medias de losvalores correspondientes a los trenes ALVIA y AVE S-103estudiados.

Del análisis de estas figuras se desprende que: los cam-bios más relevantes de rigidez de vía se produjeron en la sec-ción S1 al pasar del hormigón al suelo en el primer bloque dela zona de transición; y la ausencia de contraste de rigidecesde vía entre las secciones con suelas y sin ellas.

En la tabla 5.3.3 se recogen los cambios más importantesde rigidez de vía que se produjeron en los distintos puntos dela zona crítica de la sección S1.



TABLA 5.3.1. Trenes AVE S-103 de la campaña de 2008 analizados.

FECHA SECCIÓN HORA VÍA Nº 2 VÍA Nº 1

02-09-08 S212h 52’ T19-T20 T20-T21 -

13h 54’ - - T19-T20

03-09-08 S112h 52’ T7-T8 -

15h 49’ - T7-T8

04-09-08 S3’10h 19’ T32-T33 T35-T36 -

18h 30’ - - T32-T33

05-09-08 S512h 51’ T88-T89 T89-T90 -

18h 35’ - - T88-T89

TABLA 5.3.2. Trenes ALVIA analizados de la campaña de 2008.

FECHA SECCIÓN HORA VÍA Nº 2 VÍA Nº 1

02-09-08 S2 16h 14’ - T19-T20

03-09-08 S107h 12’ T7-T8 -

18h 16’ - T7-T8

04-09-08 S3’ 07h 11’T32-T33 -

T35-T36 -

18h 15’ - T32-T33

05-09-08 S5 21h 14’ - T88-T89

VÍA 1 VÍA 2

T6 T7-T8 T8 T6 T7-T8 T8

240 120 108 242 119 102

TABLA 5.3.3. Cambios abruptos de rigidez de vía, en KN/mm, obtenidosen la zona crítica de la sección S1.

FIGURA 5.3.1. Valores de rigidez de vía representativos, en KN/mm,obtenidos en la sección S1 en el análisis de la campaña de septiembre de2008.


Con el fin de ilustrar mejor los cambios de rigidez de víaque se detectaron al pasar del hormigón al suelo y del suelo alhormigón, en la Fig. 5.3.5 se han recogido los movimientosabsolutos del carril registrado en dichos puntos al paso de untren ALVIA por cada vía. Para estos dos casos particularespuede observarse que las deflexiones de los carriles en el ladoblando de la junta hormigón-suelo superan de dos a tres veceslos que se obtienen en el lado duro, y que fueron mayorescuando el tren pasó de la zona blanda a la dura (vía 1).





FIGURA 5.3.5. Movimientos absolutos del carril observados en ambas víasentre la zona dura (traviesas T5 y T6) y la zona blanda (T8, T9 y T10) dela sección S1 para dos trenes ALVIA.

FIGURA 5.3.3. Valores de rigidez de vía representativos, en KN/mm,obtenidos en las secciones S3 y S3’ en el análisis de la campaña deseptiembre de 2008.


6. RESUMEN Y CONCLUSIONESPara el estudio y análisis de los cambios de rigidez produci-dos en la vía en una zona de transición se eligió un emplaza-miento situado en el viaducto de Borges Blanques en la líneade alta velocidad Madrid-Barcelona-frontera francesa.

Se definieron una serie de secciones transversales a la víapara estudiar, mediante la instalación de diversos sensores,diferentes zonas con distintas características constructivasen lo referente tanto a la vía como al terraplén. Medianteestos sensores se obtuvo, registrando el paso de varios trenes,los datos necesarios para el cálculo de las rigideces de vía envarios puntos, como son las cargas por rueda y las deflexio-nes de carril.

Para la obtención de las cargas se siguió, por un lado, elmétodo estándar donde se calculan las cargas por rueda através del registro de dos bandas extensométricas instaladasen el carril, y por otro, un método desarrollado durante estostrabajos mediante el cual se pueden obtener las cargas a par-tir de una sola banda aplicando un determinado factorcorrector determinado empíricamente.

Igualmente se utilizaron dos metodologías para la obten-ción de las deflexiones del carril producidas por el paso de lostrenes. Por un lado se midieron estas deflexiones de formadirecta a través de sistemas ópticos láser, y por otro se obtu-vieron de una forma indirecta a partir de la integración deregistros de geófonos instalados directamente en los carrilesde la vía.

Del análisis de los resultados obtenidos pueden resumirselas principales conclusiones de la siguiente manera:• Los valores de rigidez obtenidos en la campaña de sep-

tiembre de 2008 a partir de los trenes ALVIA para la zonade transición fueron, en general, un 15% menores que los

obtenidos en mayo de 2007. Este hecho cabe atribuirlo aque en la campaña de 2007 la vía estaba consolidada porel paso de trenes mientras que en la de 2008 se encontra-ba recién bateada.

• No se encontraron diferencias significativas entre losvalores de rigidez de vía calculados en la campaña de sep-tiembre de 2008 para los trenes AVE S-103 que viajabana 300 Km/h, y los obtenidos para los ALVIA que pasabana 200 Km/h.

• Se determinaron variaciones de 1:2 a 1:3 en las rigideces devía obtenidas en la transición entre hormigón y suelo estu-diada en la sección S1, y mayores cargas y deflexiones decarril al pasar el tren de la zona más blanda a la más dura.

• En otras zonas del bloque técnico y vía plena, las rigide-ces de vía obtenidas se encuentran dentro del rango queva de 110 KN/mm a 140 KN/mm, con una variación máxi-ma del orden del 10% entre traviesas consecutivas en lavía recién bateada y del 20% una vez consolidada.

7. AGRADECIMIENTOSEste estudio ha sido parcialmente desarrollado en elProyecto INNOTRACK TIPS-CT-2006-0314150 del 7ºPrograma Marco de la Unión Europea.

8. REFERENCIAS- AEAT. RENVIB II Phase 3 (2003). Measurement protocol

vibration and ground borne noise.- UIC 2008. Earthworks and track bed for railway lines. UIC

CODE, Paris, 114p.




67PEQUEÑOSRECUERDOS 5/10/11 19:32 Página 73

Documento3 2/1/12 14:17 Página 1

1. INTRODUCCIÓNEl objetivo de este artículo es determinar una carga por ejeuniforme para un tren de mercancías tipo con el fin de llevara cabo el estudio de fatiga de líneas de alta velocidad some-tidas a tráfico mixto.

El análisis estadístico de las cargas dinámicas de 141 tre-nes de mercancías (12.925 ejes), registradas por medio de undetector de impacto en vía, instalado por ADIF en la esta-ción de control de Torredembarra en el Corredor Mediterrá-neo, ha permitido la identificación de esa carga. Se utilizarápara evaluar experimentalmente el efecto que puede tenerel paso de 2 millones de ejes de ese tipo en el comporta-miento a fatiga de los componentes de la superestructura yla infraestructura de diferentes secciones de una línea dealta velocidad construida a escala 1:1 en la célula de ensa-yos del CEDEX, después de haber sido sometida a la aplica-ción de 5 millones de ejes de un tren de pasajeros tipo defi-nido con anterioridad. Para este tren de pasajeros tipo seadoptó, para el ensayo de fatiga en la célula de ensayos, unacarga por eje uniforme de 170 kN (carga nominal por ejemáxima aceptada por ADIF para trenes de pasajeros de alta

Análisis estadístico de cargas dinámicaspara el estudio de la fatiga de una línea

de alta velocidad con tráfico mixto

J. L. CÁMARA (*) V. CUÉLLAR (**), P. GONZÁLEZ (***),G. MARTÍN (****), R. D. CASQUERO (*****), M. RODRÍGUEZ (******) y J. A. VILLARONTE (*******)

STATISTICAL ANALYSIS OF DYNAMIC LOADS FOR THE FATIGUE TESTING OF A HIGH SPEED LINE WITHMIXED TRAFFICABSTRACT Aiming to define the axle load time history of a prototype freight train to be used for fatigue testing of high speedlines subjected to mixed traffic, the dynamic loads of 141 freight trains have been recorded by means of a set of rail impactdetectors deployed by ADIF at a control station in the Mediterranean railway corridor. The statistical analysis of the dataprovided by the passage of 12,925 freight axle loads has allowed to determine the frequency distributions of: the train speed,the nominal axle load, the train length and the impact coefficient. The variation of that coefficient with the nominal axleloads and the train speeds has been presented in a 3D plot. The results obtained are being used at present to assessexperimentally the effect that the passage of 2M axle loads of the prototype freight train may have in the fatigue behaviourof the different components of a section, 21 m long, of a high speed line, built at 1:1 scale in the CEDEX track box, afterhaving been subjected to the passage of 5M axle loads of a prototype high speed passenger train.

RESUMEN Con el fin de definir la historia de cargas por eje de un tren de mercancías tipo a utilizar en el estudio de fatiga de líne-as de alta velocidad sometidas a tráfico mixto, se han registrado las cargas dinámicas de 141 trenes de mercancías por medio deun conjunto de detectores de impacto en vía, instalados por ADIF en una estación de control en el Corredor Ferroviario Medite-rráneo. El análisis estadístico de los datos proporcionados por el paso de 12.925 cargas de ejes de mercancías ha permitido deter-minar las distribuciones de frecuencia de: la velocidad del tren, la carga nominal por eje, la longitud del tren y el coeficiente deimpacto. La variación de ese coeficiente con la carga nominal por eje y la velocidad del tren ha sido representada en un gráfico 3Den el que aparecen claramente diferenciados los picos máximos. Los resultados obtenidos están siendo utilizados para evaluarexperimentalmente el efecto que puede tener el paso de 2 millones de ejes del tren de mercancías tipo, en la fatiga de los diferen-tes componentes de una sección de 21 metros de longitud de una línea de alta velocidad, construida a escala 1:1 en la célula deensayos del CEDEX, después de haber sido sometida al paso de 5 millones de ejes de un tren de pasajeros tipo de alta velocidad.

115

Palabras clave: Estadístico, Mercancías, Trenes, In situ, Vía, Impacto, Detectores.

Keywords: Statistical, Freight, Trains, In situ, Rail, Impact, Detectors.


(*) Ingeniero en Electrónica. E-mail: [email protected](**) Dr. Ingeniero de Caminos. E-mail: [email protected](***) Ingeniero de Caminos. E-mail: [email protected](****) Ingeniero de Caminos. E-mail: [email protected](*****) Ingeniero de Caminos. E-mail: [email protected](******) Licenciado en Ciencias Geológicas. E-mail: [email protected](*******) Ingeniero de Caminos. E-mail: [email protected]


velocidad). Detalles relativos a los ensayos y las característi-cas de la célula de ensayos del CEDEX se dan en Cuéllar etal (2011) [1] y Manzanas et al (2007) [2].

En el siguiente texto se realizará, en primer lugar, una in-troducción de la estación de control de Torredembarra. A con-tinuación, se presentará el análisis estadístico de los datos re-gistrados. Los resultados obtenidos se compararán con losderivados de la función de daños de Dormon y las expresionesde Prud'homme y Eisenmann. Por último, se mostrarán lasconclusiones relativas a la carga por eje uniforme buscada.

2. EL DETECTOR DE IMPACTO EN VÍA DE TORREDEMBARRAEl detector de impacto en vía (DIV) es un sistema de protec-ción que supervisa las cargas dinámicas de rueda producidaspor cada tren en circulación. La información obtenida se en-vía a un ordenador central y se utiliza para identificar indi-cios de problemas y, en algunos casos, para tomar medidaspreventivas que permitan evitar daños en la infraestructura.

El propósito del DIV es minimizar la posibilidad de da-ñar la vía por la existencia de “planos” de rueda o vehículossobrecargados e identificar el tren responsable de estos da-ños. Esto es realmente importante porque los daños a la in-fraestructura causados por planos de las ruedas y vagonessobrecargados suponen un gran coste al ferrocarril, en parti-cular, las cargas de impacto originadas por ruedas dañadasson una causa importante de desperfectos en el carril.

El DIV utiliza datos procedentes de secciones de vía ins-trumentadas para medir el pico de carga y la carga mediade cada paso rueda. Estos valores se utilizan posteriormentepara calcular las cargas de impacto por eje, las fuerzas no-minales por eje y el tonelaje del tren. El DIV funciona a lamáxima velocidad de la línea, por lo que todos los trenes encirculación son monitorizados. Los datos son procesados yenviados mediante IP a un equipo de visualización locali-zado en una central de control remoto. Si se detecta unacarga de eje elevada o un impacto, en la sala de control de lacentral se activa una alarma, de forma que pueden tomarsemedidas, incluyendo la detención del tren.

El DIV de Torredembarra está situado cerca de Tarra-gona, en un emplazamiento donde la vía, recta y sin pen-diente, permite a los trenes circular a una velocidad cons-tante, evitando cambios en esa variable que podrían estarrelacionados con los planos de rueda. El fácil acceso a laenergía eléctrica y a las líneas de teléfono que presenta ellugar también ha contribuido a su elección para la instala-ción del sistema DIV, véase Figura 2.

El equipo DIV consta de varias bandas de medida de ten-sión de cortante fijadas en el alma de los carriles. Están dis-puestas, en cada uno de los puntos seleccionados del almadel carril, formando un puente de Wheatstone eléctrico cu-yos cambios en la resistencia eléctrica están relacionados através de los voltajes de salida medidos después de ser exa-minados y filtrados, con el paso de las cargas de las ruedas.Las señales procesadas se calibran correctamente medianteel estudio del efecto producido por ruedas de vehículos concargas conocidas.

Las bandas disponen de una cobertura protectora y loscables que cruzan la vía desde las bandas hasta el ordena-dor de la estación de medida están protegidos por tubos. Lasbandas, dos cada dos traviesas adyacentes, véase la Figura3, se distribuyen a lo largo de un tramo de vía de ocho me-tros de longitud para permitir la detección de cualquier de-fecto de rueda. Las señales de las bandas de cortante son re-gistradas por un ordenador situado junto a la vía desde elcual se transmiten los datos a un ordenador central para suvisualización. Sumando las señales proporcionadas por lasbandas de cortante entre traviesas, se mide la carga de cadauna de las ruedas tantas veces como número de traviesashay en el tramo de vía de ocho metros de longitud divididoentre dos.

El equipo DIV instalado en Torredembarra monitorizavehículos que circulan a velocidades de hasta 160 km/h y escapaz de registrar datos de trenes consecutivos separadosun intervalo de tiempo mínimo de 120 segundos. A velocida-des por debajo de 25 km/h, los defectos de las ruedas no sepueden detectar de forma fiable.

Las siguientes variables son registradas en la estaciónDIV:• Fecha y hora de paso• Características del vehículo• Velocidad (±4 km/h)y a partir de las diversas mediciones llevadas a cabo, paracada rueda, en el tramo de vía de 8 m:• Carga media de rueda (kN) para cada rueda• Carga pico de rueda (kN) para cada rueda

Una vez que los datos han sido registrados y tratados, seconsidera que la carga media de rueda representa lacarga nominal de rueda y el pico de carga de ruedarepresenta la carga de impacto de rueda.

ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE CARGAS DINÁMICAS PARA EL ESTUDIO DE LA FATIGA DE UNA LÍNEA DE ALTA VELOCIDAD CON TRÁFICO MIXTO


FIGURA 1. Vista superior de la célula de ensayos del CEDEX debidamentemodificada para poder simular tráfico mixto.

FIGURA 2. Emplazamiento del DIV de Torredembarra.


Esa información puede utilizarse para la evaluación de:• Número total de ejes• Frecuencia y magnitud de las fuerzas de rueda causantes

de daños• Tonelaje total de tráfico• Daños en la vía• Predicción de vida de los distintos componentes de la vía• Circulación de vehículos• Control del estado de los vehículos• Análisis de los costes y beneficios del control de vehículos

con ruedas defectuosas

Para analizar los datos se ha utilizado un programa desoftware desarrollado por EAE Technology. Proporciona in-formes que incorporan localización, fecha, hora, tipo de vehí-culo, tonelaje, velocidad, recuento de ejes, vía, carril, valoreslímite de carga y las cargas nominal y de impacto de rueda,véase la Figura 4. En esa figura las líneas verdes represen-tan las cargas medias de las ruedas derecha e izquierda enuna vía y los puntos rojos representan las cargas pico de lasruedas derecha e izquierda detectadas a lo largo del tramode 8 metros de vía. Si una de las cargas pico está fuera delos límites de tolerancia, suena una alarma en la sala decontrol del puesto central y se visualiza un mensaje aconse-jando un plan de actuación adecuado.



FIGURA 3. Bandas de cortante en el alma del carril entre dos traviesas consecutivas.

FIGURA 4. Valores límite decarga de rueda (líneasrojas), cargas nominales derueda (líneas verdes) ycargas de impacto de rueda(puntos rojos)proporcionados por elprograma de software delequipo DIV.


3. ANÁLISIS PRELIMINAR DE LA BASE DE DATOS

De los 141 trenes analizados, 76 trenes circularon por la víanº 1 (sentido sur-norte) y 65 trenes por la vía nº 2 (sentidonorte-sur). Considerando los ejes, de las 12.925 cargas de ejeestudiadas, 7.173 corresponden a la vía nº 1 y 5.752 a la víanº 2. La Tabla 1 muestra, para la vía nº 1, la vía nº 2 y las

vías nº 1 + nº 2 en conjunto, los resultados de un primer aná-lisis en el que se muestran el mínimo, el máximo, la media yla desviación estándar de la velocidad, número de ejes, lon-gitud, tonelaje, carga media de eje (como suma de los valo-res medios de las ruedas derecha e izquierda) y carga picode eje (como suma de las cargas pico de ambas ruedas dere-cha e izquierda).



TABLA 1. Parámetros estadísticos de los 141 trenes de mercancías analizados.

PARÁMETRO VÍA VELOCIDAD NÚMERO LONGITUD PESO CARGA MEDIA CARGA PICOESTADÍSTICO nº [km/h] DE EJES (m) [toneladas métricas] DE EJE [kN] DE EJE [kN]

MÍNIMO 1 72 50 173 370 39 59

MÁXIMO 1 100 156 540 1.684 225 456

MEDIA 1 90 94 436 1.017 106 149

DESVIACIÓN EST. 1 6 23 83 288 60 69

MÍNIMO 2 80 52 158 623 37 55

MÁXIMO 2 100 116 538 1.671 226 460

MEDIA 2 93 88 426 1.074 118 160

DESVIACIÓN EST. 2 5 16 85 249 54 63

MÍNIMO 1+2 72 50 158 370 37 55

MÁXIMO 1+2 100 156 540 1.684 226 460

MEDIA 1+2 91 92 432 1.040 111 154

DESVIACIÓN EST. 1+2 6 20 84 273 58 67

Los parámetros estadísticos de la velocidad de los trenesasociados a cada una de las vías considerados en el análisisson bastante similares. Se obtuvieron unas velocidades detren máxima y mínima de 100 km/h y 72 Km/h respectiva-mente, así como un valor de velocidad media de 91km/h. Por otro lado, los valores de carga de eje identificadospara cada una de las vías son muy coherentes, obteniendounos valores mínimo, máximo y medio de carga nominalde eje de 37 kN, 226 kN y 111 kN respectivamente. Losvalores mínimo, máximo y medio de carga de impactopor eje fueron 55 kN, 460 kN y 154 kN respectivamente.

Los parámetros estadísticos de la carga media de eje (no-minal) y carga pico de eje (impacto) para la vía nº 2 son su-periores a los de la vía nº 1, lo que podría estar relacionadocon el hecho de que el porcentaje de vagones mas cargadosen la vía nº 2 es superior al de la vía nº 1. El número de ejespor la vía nº 1 con una carga superior a 100 kN es de 3.032ejes de un total de 7.173, lo que representa un 42%, mien-tras que por la vía nº 2, solamente 3.200 ejes de 5.752 tienenuna carga mayor de 100 kN contabilizando un 56%.

Se puede pensar que la carga nominal de eje mínima obte-nida de 37 kN está asociada a un vagón sin carga, mientrasque el valor máximo de 226 kN corresponde a un vagón com-pletamente cargado, por lo que a cada eje de un vagón comple-tamente cargado se le puede asociar una carga de mercancíade 189 kN. El gráfico de la Figura 5 muestra los porcentajes deejes en ambas vías (vía nº 1 + vía nº 2) con carga de mercancíaen los intervalos 0%-30%, 30%-60% y 60%-100% de la cargamáxima de mercancía soportada por el eje de un vagón com-pletamente cargado (189 kN). En esta figura se puede obser-var que aproximadamente un 30% de los ejes analizados so-portan una carga de mercancía de entre 113 kN y 189 kN, loque corresponde con una carga nominal de eje de entre 150 kN(113 kN + 37 kN) y 226 kN (189 kN + 37 kN).

4. HISTOGRAMAS Y DISTRIBUCIONES DE FRECUENCIADE CARGAS NOMINALES DE EJE Y VELOCIDADESDE LOS TRENES

En la Figura 6 se representa un histograma con las cargasnominales de eje. Es un histograma multimodal donde que-dan reflejados tres tipos de trenes: descargados, medio car-gados y totalmente cargados. Sus valores máximo y mínimo,ya comentados, son 37 kN y 226 kN. La media es de 111 kNy la desviación estándar es 57 kN.

Teniendo en cuenta que el objetivo principal de este tra-bajo es identificar la carga de eje más adecuada para la rea-lización de ensayos de fatiga en la célula de ensayos del CE-DEX, parece razonable fundamentar su definición en la

FIGURA 5. Distribución de ejes de trenes soportando diferentesporcentajes de carga de mercancía máxima (195 kN).


distribución del intervalo superior de cargas identificado enel capítulo anterior (30% del total de las cargas nominalesmedidas, que oscilan entre los 150 kN y 226 kN).

El histograma para ese intervalo de cargas, representadoen la Figura 7, con una media de 189,63 kN, una medianade 189 kN y una desviación estándar de 17,63 kN, se ajustamuy bien a la función de densidad de probabilidad normal,con las mismas coordenadas de abscisas, representadas enesa figura. Para un intervalo de confianza de 95,4%, encon-tramos en esa curva de densidad de probabilidad una carganominal máxima de 189 kN + 2x17,63 kN = 224,26 kN.

Por otra parte, la Figura 8 muestra el histograma y ladistribución de frecuencias acumuladas de velocidades delos trenes para el 30% de las 12.925 cargas nominales de eje,que oscilan entre 150 kN y 226 kN. Para ese intervalo decargas, los valores de la media, la mediana y la desviaciónestándar son 90,83 km/h, 93 km/h y 5,64 km/h respectiva-mente. Tomando una función de densidad normal con un va-lor medio de 93 km/h (igual a la mediana de los datos estu-diados) y una desviación estándar de 5,64 km/h. El valormáximo que corresponde a un intervalo de confianza del95,4%, en esa curva de densidad normal, sería 93 km/h +2x5,64 km/h = 104,28 km/h.

5. CARGA DINÁMICA A PARTIR DE LA FUNCIÓNDE DAÑO

Para combinar las diferentes cargas nominales de eje queoscilan entre los 150 kN y 226 kN, los 3.878 valores de PDicorrespondientes a esas cargas nominales pueden hacerseequivalentes al mismo número de cargas nominales de ejeteniendo todas el mismo valor PDe mediante la siguiente leyde daños de Dormon:

(1)

donde N = 3.878 y n = 0,2 es el valor sugerido por Shenton yadoptado por Dormon.

Aplicando esta fórmula al intervalo de cargas nominalesde eje comprendidas entre 150 kN y 226 kN, se ha obtenidoun valor PDe = 197 kN.



FIGURA 6. Histograma de las cargas nominales de eje.FIGURA 7. Histograma y función de densidad normal de las cargasnominales de eje, utilizada para definir la carga de eje uniforme del trende mercancías tipo.

FIGURA 8. Histograma y distribución de frecuencias acumuladas de velocidades de los trenes utilizados para definir la velocidad del tren de mercancías tipo.


6. CARGA DINÁMICA A PARTIR LAS EXPRESIONESDE PRUD’HOMME

Considerando una distribución normal de las cargas dinámi-cas de rueda con un valor medio de 94,5 kN igual a la mediade la carga nominal de eje determinada anteriormente (189kN) dividida entre 2, Prud'homme (1970) [3] incorpora elefecto de las irregularidades en la superficie del carril a tra-vés de la desviación estándar σ de dicha distribución utili-zando las siguientes expresiones:

(2)

donde

(3)

y

(4)

En estas ecuaciones σ, σS y σNS están expresadas en to-neladas métricas y V en km/h; el parámetro “b” representala máxima irregularidad vertical tolerable en una “cuerda”de 3 m en la vía; MS y MNS representan las masas suspendi-das y no suspendidas, respectivamente, en toneladas métri-cas, siendo MNS ≈ 10% de la carga nominal y K es la rigidezde vía expresada en kN/mm.

Para una carga nominal de rueda de 94,5 kN, una veloci-dad de tren de 93 km/h (valor de la mediana de la distribu-ción normal de velocidades para cargas nominales de eje enel intervalo 150 kN - 226 kN), un valor de "b" de 1 mm y unarigidez de vía de 100 kN/mm, las expresiones anteriores danun valor σ = 1,43 toneladas métricas = 14,3 kN. Para un in-tervalo de confianza del 95,4%, el valor máximo de la cargadinámica de rueda es 94,5 kN + 14,3x2 kN = 123,1 kN y lacarga dinámica de eje máxima será 246,2 kN.

7. CARGA DINAMICA A PARTIR DE LAS EXPRESIONESDE EISENMANN

Suponiendo también una distribución normal de cargas di-námicas en la vía, Eisenmann determina el valor del Factorde Amplificación Dinámico (FAD) mediante la siguiente ex-presión:

(5)

donde n, que incorpora el nivel de confianza del análisis,adopta un valor n = 2 para el 95,4% de intervalo de con-fianza, α es un parámetro que depende del estado de la vía,adoptando el valor 0,2 para una vía en buen estado y φ esotro parámetro que, en función de la velocidad del tren enkm/h viene dado por la siguiente ecuación:

(6)

Para una velocidad V = 93 km/h (mediana de los datos es-tudiados) se obtiene φ = 1,236, con lo que tenemos un FAD =1,494, que aplicado a la carga de 189,63 kN (media de los

valores estudiados) nos da una carga dinámica de eje de283,36 kN.

8. COEFICIENTES DE IMPACTO DE EJESDividiendo las cargas pico de eje entre las cargas medias deeje, tal y como se representan en la Figura 4, se pueden ob-tener una serie de coeficientes de impacto de eje para cadatren registrado. Si representamos ahora los coeficientes deimpacto de las 3.878 cargas nominales de eje con valores en-tre 150 kN y 226 kN frente a esas cargas nominales de eje,obtenemos la gráfica de la Figura 9.

Para el intervalo de cargas nominales de eje consideradoen este estudio (150 kN-226 kN), la Figura 10 muestra loscoeficientes de impacto de eje representados frente a las ve-locidades de los trenes. En la Figura 11 se han represen-tado, en una gráfico 3D, los valores de esos coeficientes (eje



FIGURA 9. Coeficientes de impacto de ejes frente a las cargas nominalesde eje comprendidas entre 150 kN y 226 kN.

FIGURA 10. Coeficientes de impacto de eje frente a las velocidadesde los trenes para cargas nominales de eje comprendidas entre 150 kN y226 kN.


mente y un valor máximo de 1,448 = 1,260 + 2x0,094 paraun intervalo de confianza del 95,4% de la función de densi-dad normal que se ajusta a la distribución estadística conesos parámetros. Multiplicando el valor medio de la carganominal de eje (189,63 kN) por el coeficiente de impacto co-rrespondiente al valor máximo del intervalo de confianzadel 95,4% (1,448), se obtiene una carga de dinámica de 275kN.

Por otra parte, el producto de la carga nominal de eje co-rrespondiente al intervalo de confianza del 95,4% (224,6kN) y el valor medio de la distribución normal de los coefi-cientes de impacto (1,26), proporciona un resultado de 283kN equivalente al obtenido mediante las expresiones de Ei-senmann.

vertical) frente a las cargas nominales de eje (un eje hori-zontal) y las velocidades de los trenes (el otro eje horizontal).En esta serie de figuras, se han obtenido unos valores má-ximo y mínimo de 2,718 y 1,145, que corresponden a cargasnominales de eje de 163 kN y 190 kN y velocidades de trende 92 km/h y 95 km/h respectivamente. A partir de estos va-lores, se puede obtener una carga dinámica máxima de ejede 445 kN (165 kN x 2,718).

En la Figura 12 se ha representado un histograma y sucorrespondiente función de densidad normal, con el mismoeje de abscisas, de los coeficientes de impacto de eje para elintervalo de cargas nominales seleccionado.

Se han obtenido unos valores para la media, la medianay la desviación estándar de 1,276, 1,260 y 0,094 respectiva-



FIGURA 11. Gráfico 3D de loscoeficientes de impacto de eje frente alas velocidades de los trenes y lascargas nominales de eje comprendidasentre 150 kN y 226 kN.

FIGURA 12. Histograma y function dedensidad normal de los coeficientes deimpacto de eje para las cargasnominales de eje comprendidas entre150 kN y 226 kN.


9. RESUMEN Y CONCLUSIONESTomando como origen el análisis estadístico de 12.925 car-gas nominales de eje correspondientes a 141 trenes de mer-cancías circulando por ambas vías en la estación DIV de To-rredembarra, se ha considerado una muestra de 3.878cargas de eje con valores nominales que oscilan entre 150kN y 226 kN como representativa para la definición de unacarga uniforme de eje, para ser utilizada posteriormente enensayos de fatiga en la célula de ensayos del CEDEX. Par-tiendo de la distribución de frecuencia normal para eserango de cargas nominales por eje, se ha obtenido un valormedio de 189,63 kN y, para un intervalo de confianza del95,4%, una carga máxima por eje de 224,26 kN (correspon-diente al percentil 97). Aplicando la función de daños deDormon a los 3.878 valores nominales seleccionados se haobtenido un valor equivalente de 197 kN.

La distribución normal a la que se ajustan las velocida-des de los trenes, para el conjunto de ejes mencionado en elpárrafo anterior, tiene una mediana igual a 93 km/h y unvalor máximo de 104,28 km/h para un intervalo de con-fianza del 95,4%.

Para este mismo intervalo de confianza, se ha determi-nado una carga dinámica de eje máxima de 246,2 kN a par-tir de las expresiones de Prud'homme que incorporan lasirregularidades de algunas líneas de ferrocarril francesas noanalizadas en este trabajo.

En cuanto a los coeficientes de impacto detectados en laestación DIV de Torredembarra, se ha obtenido una cargadinámica de eje máxima de 443 kN en el intervalo de cargasnominales de eje considerado en este estudio (150 kN - 226kN). A partir de las distribuciones normales de las cargasnominales de eje y de los coeficientes de impacto, para elrango de cargas nominales mencionado, se ha llegado a unvalor dinámico de eje de 275 kN al combinar el percentil 50de la carga nominal de eje con el percentil 97 de los coefi-cientes de impacto y un valor dinámico de eje de 283 kN alcombinar el percentil 97 de la carga nominal de eje con elpercentil 50 de los coeficientes de impacto, valor este último

que coincide con el obtenido mediante las expresiones de Ei-senmann.

A la luz de este resumen y, en una primera fase de lacampaña de ensayos de fatiga que se va a llevar a cabo en lacélula de ensayos del CEDEX reproduciendo el paso de tre-nes de mercancías en vías de alta velocidad, se recomiendautilizar una carga uniforme de eje de 225 kN, (55 kN supe-rior a la carga de eje uniforme utilizada en campañas ante-riores cuando se reprodujo el paso de trenes de pasajeros a300 km/h) y una velocidad de 105 km/h.

En una segunda fase, se podría considerar una carga deeje de 250 kN a la misma velocidad si se desea tener encuenta en el ensayo de fatiga el efecto de las irregularidadesen una vía de buena calidad.

En una tercera fase, se podría incorporar el efecto del im-pacto de los defectos de rueda aumentando la carga de ejehasta 280 kN, manteniendo la misma velocidad.

Por último, se podría considerar un único eje aislado deamplitud 445 kN para intentar analizar el máximo efectoque los defectos de rueda de trenes a plena carga, similaresa los registrados en Torredembarra, pueden causar en loscomponentes de la superestructura e infraestructura de unavía de alta velocidad sometida a tráfico mixto.

10. REFERENCIAS[1] Cuéllar, V., Navarro, F., Andréu, M.A., Cámara, J.L.,

González, F., Rodríguez, M., Núñez, A., González, P., Díaz,R., Navarro, J. & Rodríguez, R., 2011. Short and long termbehaviour of high speed lines as determined in 1:1 scale la-boratory tests. 9th World Congress on Railway Research, Li-lle, France.

[2] Manzanas, J., Moreno, J., Cuéllar, V., Andréu, M.A. &Navarro, F., 2007. CEDEX’s experimental facility for testingrailway tracks. 14th European Conference on Soil Mecha-nics and Geotechnical Engineering, Madrid, vol. 4, pp. 2037-2055.

[3] Prud’home, A., 1970. La voie. Revue Genérale desChemins de Fer, January.




1. INTRODUCCIÓNLa determinación de las cargas que transmite cada rueda deun tren al carril es una medida necesaria en toda instru-mentación que se realice en la vía, ya que cualquier efectoen el resto de los elementos de la superestructura e infraes-tructura de la vía estará en función de la solicitación ex-terna introducida.

En el presente artículo se describe inicialmente la formade instalación que habitualmente realiza el Laboratorio deGeotecnia del CEDEX en las secciones que éste instru-menta. Posteriormente se analiza, mediante la teoría clásicade vigas, la formulación analítica que permite obtener el cor-tante en una sección en función de la deformación del almadel carril. Finalmente se realiza un modelo numérico tridi-mensional para analizar los errores provocados en la inter-pretación citada por el efecto de la proximidad de la carga alemplazamiento de las bandas extensométricas y se estudiala repercusión en las medidas de un error en la posición delas bandas.

2. PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN DE LAS BANDAS ENEL CARRIL

La instalación o "pegado" de las bandas extensométricas esun procedimiento laborioso y delicado que debe ser realizadopor personal técnico altamente cualificado. Las fases necesa-rias en su instalación, que finalmente se han considerado ne-cesarias tras la instrumentación de numerosas secciones, sonlas siguientes:1.- Replanteo de los puntos de colocación y marcado en el

carril de la fibra neutra. En el caso de que se pretenda obtener la carga porrueda Q entre traviesas se fijaran los puntos a 15 cm acada lado del centro del vano entre traviesas. Cuando se requiere conocer la carga Q entre traviesasse sitúan los puntos a 15 cm de los extremos de la tra-viesa a estudiar. En la Figura 1 se puede ver la situa-ción de las bandas en ambos casos.

2.- Lijado inicial con radial de zona que ocupa la banda enel carril.

3.- Lijado fino con pulidora para eliminar irregularidadesdel lijado anterior.

4.- Limpieza con disolvente del carril para eliminar impu-rezas del lijado.

5.- Pegado de bandas en cinta de Kapton para posiciona-miento previo al montaje de bandas extensométricas.

Determinación de las cargas aplicadasal carril mediante bandas

extensométricas

JAVIER MORENO ROBLES (*) y JOSÉ LUIS GARCÍA DE LA OLIVA (**)

DETERMINATION OF THE LOADS ON A RAIL USING STRAIN GAUGESABSTRACT In this paper we discuss first how strain gauges are installed to measure the loads applied on a rail as normallydone by the Geotechnical Laboratory of CEDEX on the sections that it instruments. We present next an analyticalformulation to determine the shear in a cross section from the strains in the web of the rail. A 3D numerical model to assessthe errors involved in the interpretation of the data due to the proximity of the strain gauges to the loads is finally presentedstudying the effect of the position of the gauges on the measurement errors.

RESUMEN En el presente artículo se describe inicialmente la forma de instalación de las bandas extensométricas para ladeterminación de las cargas aplicadas al carril que habitualmente realiza el Laboratorio de Geotecnia del CEDEX en lassecciones que éste instrumenta. Posteriormente se analiza la formulación analítica que permite obtener el cortante en unasección en función de la deformación del alma del carril. Finalmente se realiza un modelo numérico tridimensional paraanalizar los errores provocados en la interpretación citada por el efecto de la proximidad de la carga al emplazamiento delas bandas extensométricas y se estudia la repercusión en las medidas de un error en la posición de las bandas.

123

Palabras clave: Bandas Extensométricas, Cortante, Carril.

Keywords: Strain Gauges, Shear, Rail.


(*) Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. UPM.E-mail: [email protected](**) Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. UPM.E-mail: [email protected]


6.- Posicionamiento exacto de banda en carril.7.- Pegado de la banda al carril.8.- Se retira la cinta de Kapton.9.- Soldadura de los cables de la banda a terminal para cone-

xión con cable de prolongación hasta adquisidor de datos.10.- Protección mediante láminas de aluminio con masilla

de recubrimiento para protección de bandas extensomé-tricas en montajes de intemperie.

3. DETERMINACIÓN DEL CORTANTE MEDIANTE LA TEORÍADE LAS VIGAS

Las bandas extensométricas instaladas según el procedi-miento anterior, permiten obtener la deformación lineal uni-taria que tiene lugar en una dirección que forma 45º con lahorizontal. La determinación del cortante de la sección aso-ciado a esta deformación unitaria se realiza con la siguienteteoría obtenida de la resistencia de materiales elástica.

Si se considera una sección prismática simétrica respectoal eje de las "z" tal como se muestra en la Figura 3 y se apli-can unas cargas externas en el plano medio, el esfuerzo cor-tante será el Qxz.


FIGURA 3. Croquis de la distribución de tensiones de una viga. Tomadode Estructuras Metálicas. Ramón Argüelles Álvarez. ETS de Ingenieros deMontes.

FIGURA 2. Vista del aspecto de una banda una vez pegada sin/con conexiones y previo a la protección final.

FIGURA 1. Situación donde se colocan las bandas para medir la carga sobre el carril y sobre la traviesa.


Aislando un segmento diferencial "dx" de dicha piezaprismática, y seleccionando por un plano perpendicular aleje "z" distante zQ del eje correspondiente la fibra neutra,"y", al considerar las tensiones y esfuerzos que intervienen,se tiene:

A la izquierda del trozo aislado "dx" existe un momentoflector My que provoca tensiones normales σX = Myz/I. A laderecha el momento flector será: My+dMy, y por lo tanto lastensiones normales alcanzarán los valores σX+dσX =(My+dMy)z/I. Si la sección es constante por ser prismática, eldesequilibrio de los volúmenes de tensiones normales a laderecha y a la izquierda del trozo aislado únicamente puedecompensarse con las tensiones tangenciales τZX que apare-cen en el plano horizontal de corte sobre el rectángulo dife-rencial de área bQ · dx.

Suponiendo que estas tensiones tangenciales se distribu-yen uniformemente en el ancho bQ correspondiente a la sec-ción, tendremos:

Al ser , y siendo

el momento estático de la sección, operando se obtiene final-mente:

A partir de la expresión anterior, el valor del cortante enuna sección se puede obtener si se conoce la deformación li-neal longitudinal medida a 45º en una fibra, ε :

siendo:ε ............la deformación lineal longitudinal medida a 45º enuna fibra b ........... la anchura de la sección en la fibra donde se midela deformaciónIy ..........el módulo de inercia de la secciónS...........el momento estático de la sección en la fibra dondese mide la deformación

En el caso del carril UIC60, la fórmula anterior se trans-forma en expresando ε en microdeforma-ciones (με) y en kN, cuando la fibra de medida es la fi-bra neutra que está situada a 80,9 mm de la cara inferiordel patín.

4. INTERPRETACIÓN DE LAS MEDIDAS DE CAMPOEmpleando la formulación anterior y a partir de los regis-tros tomados en la sección instrumentada se puede obtenerla carga por rueda de las circulaciones ferroviarias mediantela siguiente metodología de interpretación.

Se parte de los registros de los cortantes proporcionadospor dos conjuntos de bandas extensiométricas que estén si-tuadas entre dos traviesas contiguas. La separación de di-chas bandas influye en el contenido de frecuencias que tienela señal registrada. Normalmente, según se ha indicado an-teriormente, la separación que existe entre ellas es de 30 cm,ya que cada banda está situada a 15 cm del centro del vano.

Inicialmente se sigue un proceso de filtrado de la señalobtenida para eliminar frecuencias parásitas, empleán-dose habitualmente un filtro pasa baja con unas frecuen-cias de corte y atenuación del orden de 200-250Hz. Algu-

DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS APLICADAS AL CARRIL MEDIANTE BANDAS EXTENSOMÉTRICAS


FIGURA 4. Croquis explicativo de la interpretación de las cargas entre traviesas.


nas señales pueden requerir un filtrado adicional debido ala aparición de un ruido contenido en esa banda de fre-cuencias, por ejemplo, la presencia de una señal eléctricade 50Hz. Para eliminarlo se puede aplicar un filtro de ren-dija (Notch filter, NF), que elimina una franja de frecuen-cias del registro. Una vez que los registros están filtradosy corregidos (correcciones de base y deriva) se procederá arestar un registro del otro. Este último representará lahistoria de cargas producida sobre la vía al paso del trendonde los picos representan el paso de las ruedas y cuyaamplitud determina la carga soportada por la vía (ver Fi-gura 5 y 6).

5. MODELO NUMÉRICO REALIZADOLa metodología de cálculo anterior se basa en el registro deuna determinada deformación en el alma del carril y la pos-



FIGURA 5. Cortantes filtrados y corregidos correspondientes a un mismotren y cálculo de cargas mediante la diferencia positiva de ambos.

FIGURA 7. Comparativa de la sección empleada en el modelo numérico yla sección real del carril UIC60.

FIGURA 6. Detalle del paso de una de las ruedas.

terior determinación del cortante correspondiente emple-ando la teoría de la resistencia de materiales.

Sin embargo, es bien conocido que las hipótesis habitual-mente aceptadas de distribución de tensiones en una viga(Bernouilli-Navier) exigen que la distancia de la carga a lasección de cálculo sea suficiente para que el flujo tensionalse regularice y no estén afectadas por el efecto local de ladiscontinuidad geométrica o de cargas.

En el caso de un carril situado sobre unas traviesas, estasregiones de discontinuidad (denominadas habitualmente re-giones D) se presentan en las zonas donde se transfiere lacarga a las traviesas y en el punto de aplicación de la cargade la rueda, que es lógicamente móvil.

Para poder comprobar la validez de la metodología ante-rior se ha realizado un modelo numérico tridimensional si-mulando con gran precisión la geometría del carril (ver Fi-gura 7). El código numérico empleado es el Flac3D (Itasca,Minneapolis) que emplea la técnica de las diferencias finitas.

En longitud se ha considerado únicamente 20 cm de ca-rril apoyado en el pad izquierdo, 40 cm entre apoyos y los 20cm apoyados en el pad derecho. Lógicamente, la separaciónentre ejes de traviesas es de 20/2 + 40 +20/2 = 60 cm.

Para simular la medida que proporcionarían las bandasinstaladas en el carril se ha monitorizado el movimiento deunos puntos de la malla del modelo en la misma posición quese situarían las bandas (ver Figura 8).

En función de los movimientos de estos puntos monitori-zados, mediante las subrutinas matemáticas de cálculo ade-cuadas, se puede obtener la deformación longitudinal decada una de las bandas simuladas. Al aplicar la formulaciónincluida en el apartado 3 del artículo a estos valores medidosse puede estimar el cortante en la sección donde se sitúa labanda.


Por otro lado, se puede considerar que el cortante que ac-túa en una sección como siendo τ la tensióntangencial que existe en cada zona y su área contribu-tiva. Este valor de puede ser considerado el cortante real-

mente existente en cada sección ya que es la simple sumato-ria de las fuerzas unitarias verticales en las caras verticalesde las distintas zonas que conforman la sección monitori-zada.

Se han realizado dos diferentes modelos, aplicando lacarga tanto de forma centrada como descentrada. En ambosmodelos, se ha simulado que la posición de las bandas exten-sométricas se han ido variando a lo largo del eje del carril,obteniéndose para cada posición estudiada de bandas tantoel cortante que se obtendría con la metodología expuesta enel apartado 3 (línea de color rojo en las Figuras 9 y 10) comoel cortante obtenido como sumatorio de fuerzas unitarias (lí-nea de color azul).

En las figuras anteriores se puede ver como hay una zonapróxima a la carga donde el cortante que se obtendría apli-cando la formulación (que lleva implícita lateoría de vigas) se diferencia notablemente del cortante realque sería el correspondiente al sumatorio de fuerzas elemen-tales.

Sin embargo, en ambos casos, basta que las bandas esténseparadas a unos 5 cm de la carga, para que los errores co-metidos empleando las bandas sean muy reducidos, y a 10cm despreciables.

En las figuras siguientes se muestran los resultados ob-tenidos en el caso de que las bandas se hayan pegado porerror en una fibra que no coincide con la fibra neutra. Segúnse puede ver en los resultados, los errores de medida emple-ando el método de las bandas son muy pequeños. Esto es de-bido a que la distribución de tensiones tangenciales, y por



FIGURA 8. Vista de detalle de los puntos de la malla que simulan lospuntos de pegado de las bandas en el carril.

FIGURA 9. Distribución del cortante real y del cortante registrado por las bandas. Carga centrada.




FIGURA 10. Distribución del cortante real y del cortante registrado por las bandas. Carga descentrada.

FIGURA 11. Efecto del error en la colocación de las bandas. Carga centrada.


ende las deformaciones angulares asociadas, presenta unaforma parabólica que en la zona de la fibra neutra tiene unvalor con una reducida variación.

6. RESUMEN Y CONCLUSIONESEn el presente artículo se expone la metodología que empleael Laboratorio de Geotecnia del CEDEX en las medidas de lacarga de las ruedas aplicadas en un carril. Se indican conprecisión los pasos necesarios para la materialización delpegado en el carril, procedimiento éste que se ha ido optimi-zando en las muy numerosas secciones instrumentadashasta la fecha.

Se indica también la metodología matemática que se em-plea en el proceso seguido desde que se registran los datos

con las bandas instaladas hasta que se determina la cargaque aplica cada rueda al carril.

También se comprueba mediante un modelo numéricoque siempre que las bandas extensométricas estén separa-das más de 5 cm de la carga aplicada, el valor registradocoincide sensiblemente con el valor real.

Por este motivo se puede concluir que, situando las ban-das entre traviesas separadas 30 cm, el cortante máximo re-gistrado que se obtiene en cada banda coincide con el valorreal, por lo que la composición de los máximos de ambos re-gistros permite obtener la carga de la rueda.

Por último también se analiza la influencia de la posiciónde las bandas respecto a la fibra neutra en los resultados ob-tenidos y se concluye que su influencia, siempre que se sitúeen un entorno de +0,5 y -1,5 cm, es reducida.



FIGURA 12. Efecto del error en la colocación de las bandas. Carga descentrada.


EDICIONES DEL

Las cimentaciones especiales hormigonadas in situ, objeto de La presente publicación, están constituidas por pilo-tes de desplazamiento y extracción, muros pantalla y pantallas de pilotes. La designación de estas cimentacionesproviene de sus condiciones especiales de puesta en obra de hormigón, generalmente con perforaciones profundas,bajo agua o fluido estabilizado, y con cuantías de armadura importantes; que obligan a exigir al hormigón una se-rie de características específicas. Si bien estos elementos están incluidos en la normativa española de aplicación alas estructuras de hormigón (EHE, Código Técnico y PG-3), al tratarse éstos de tratados generales, no se cubrenmuchos de los aspectos particulares en cuanto a las características que debería tener el hormigón y las precaucio-nes que deberían tomarse durante la ejecución de este tipo de estructuras. Por ello y de forma complementaria, seha desarrollado normativa europea de aplicación a los hormigones de cimentaciones especiales: la UNE-EN 1536(Ejecución de trabajos especiales de geotecnia. Pilotes perforados) y la UNE- EN 1538 (Ejecución de trabajos espe-ciales de geotecnia. Muros pantalla), ambas publicadas por AENOR en el año 2000. En este trabajo se recoge el Es-tado del Arte sobre el hormigonado de cimentaciones especiales, incluyendo su puesta en obra. En el texto redac-tado se detallan los requisitos incluidos en la normativa de aplicación (tanto la española y europea antesmencionadas como otras normativas internacionales específicas consultadas), justificando y explicando su impor-tancia y necesidad. También se incluyen otros aspectos que pueden contribuir a mejorar la calidad del hormigón deestas obras que, aunque no incluidos en .La normativa, aparecen descritos en la bibliografía especializada o bienhan sido extraídos de la experiencia práctica. El documento está dividido en diez capítulos, que cubren los materia-les componentes del hormigón y su dosificación, puesta en obra, propiedades del hormigón fresco y endurecido, du-rabilidad, control de calidad y un último capítulo referente al hormigón autocompactante. El Estado del Arte redac-tado contiene un gran volumen de información, por lo que a efectos prácticos se ha puesto especial énfasis en elcapítulo 10 resumen y conclusiones que de forma sintética recopila los aspectos fundamentales que deben tenerseen cuenta. Cualquier información incluida en este apartado puede ser ampliada y justificada en el capítulo corres-pondiente del Estado del Arte. Por último, el Anejo recoge los datos de mayor interés en relación con el hormigónutilizado en obras singulares de pantallas y pilotes "in situ" realizadas en España.

Nº de páginas: 296Año de edición: 2011

P.V.P.: 24,04€

La restauración fluvial constituyeun proceso encaminado a la recu-peración de la integridad ecológicadel medio fluvial, en términos debiodiversidad y funciones y proce-sos ecológicos. Este Manual exa-mina las técnicas más destacadaspara la consecución de estos fines,diferenciando entre aquellas diri-gidas a la restauración de los eco-sistemas acuáticos y ribereños, ylas que tienen por objeto la inte-gración de las actividades huma-nas en la protección y mejora delos medios fluviales. Se presta es-pecial atención a las técnicas deampliación y mejora de las forma-ciones vegetales de ribera, bioin-geniería e incremento de la biodi-versidad florística y faunística.Finalmente, se dedica un capítuloespecífico a los procedimientosque deben guiar los programas yproyectos de restauración fluvial.

El análisis de la seguridad hidro-lógica es una cuestión central enla ingeniería de presas. El fallo delas presas puede causar importan-tes daños materiales, además deponer en riesgo vidas humanas. Apesar de la trascendencia quetiene, los métodos de análisis de laseguridad hidrológica de las pre-sas (tanto en fase de proyectocomo en fase de explotación) hancambiado relativamente poco enlas últimas décadas. En este textose realiza una contribución meto-dológica al problema de la evalua-ción de la seguridad hidrológicade una presa, analizando el efectolaminador del embalse bajo un en-foque probabilístico. La metodolo-gía permite tener en cuenta la va-riabilidad de factores queintervienen tanto en la génesis dela avenida como en su laminaciónen el embalse. Adicionalmente, ycomo resultado de la aplicación deesta metodología, se han desarro-

llado modelos simplificados para evaluar el efecto de la laminación delas presas y embalses ante solicitaciones hidrológicas extremas, tal quepermitan orientar al proyectista en las fases previas del diseño.

El objeto de esta Mono-grafía es contribuir agarantizar una mayoreficacia en el procedi-miento de evaluaciónde impacto ambientalde los proyectos de esta-ciones desaladoras deagua de mar. Se reco-miendan los criteriospara facilitar la redac-ción y supervisión deldocumento inicial o am-biental y del estudio deimpacto ambiental delos proyectos de estasinfraestructuras. Se in-cide en el diseño y se-guimiento de las medi-das preventivas ycorrectoras y del Pro-grama de vigilanciaambiental. Como posi-ble metodología paracomprobar los aspectosformales y de contenidode esta documentaciónse propone utilizar laslistas de chequeo.


P.V.P.: 12€


P.V.P.: 25€


P.V.P.: 10€

Esta publicaciónrecoge el pro-yecto de recupe-ración del jardínhistórico y la re-ordenación desu entorno, rea-lizado por el ar-quitecto Ger-hard Loch, ypromovido porel CEDEX- CE-HOPU con la co-laboración de laUniversidad Po-litécnica de Ma-drid. Las obrasse iniciaron en2008 y el jardínse abrió denuevo al públicoen septiembrede 2009.

Pedidos

Para realizar un pedido de publicaciones puede hacerlo por teléfono, fax o correo a:CEDEX Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas

c/ Alfonso XII, 3 - 28014 MadridTeléfono: (+34) 91 335 72 95 • Fax: +(34) 91 335 72 49 • E-mail: [email protected]


P.V.P.: 30€

libros 20/4/12 17:41 Página 130

1. INTRODUCCIÓNEl incremento de velocidad llevado a cabo en el proceso demodernización de ciertos corredores ferroviarios europeoscon existencia de túneles de sección reducida con el obje-tivo de disminuir los tiempos de viaje, y por tanto hacermás competitivo al modo de transporte ferroviario, puso demanifiesto un problema hasta ese momento (primeros años

70) inexistente en el mundo ferroviario, al constatarse quealgunos viajeros experimentaban en sus oídos sensacionesdesagradables llegando incluso al dolor al paso por los tú-neles, lo que obligó a reducir la velocidad al paso por losmismos.

Esta situación, así como la ya existente planificación defuturas líneas de alta velocidad con existencia de túnelesllevó a la Unión Internaciones de los Ferrocarriles (UIC) aaprobar la realización de los pertinentes estudios para, enuna primera fase, comprender el fenómeno y validar siste-mas de predicción, dejando para una segunda fase el desa-rrollo de aplicaciones prácticas que facilitasen el diseño delos futuros túneles.

Determinación de la seccióntransversal de túneles ferroviarios

en líneas de alta velocidad

ANTONIO LOZANO DEL MORAL (*)

DETERMINATION OF RAILWAY TUNNEL CROSS-SECTIONAL AREAS IN HIGH SPEED LINESABSTRACT The article describes the physical phenomenon that experiences a high speed train as it enters a tunnel. Reviews thecriteria considered by the International Union of Railways to understand the aerodynamic phenomena that occur as differenttheoretical model to develop a theoretical calculation that would allow parametric studies of the problem, the validation of thecalculation program and to identify effects of pressure variations have on the human ear. The need to sealed trains andquantification of their degree of tightness is underlined. The implementing legislation for the determination of the cross section ofthe tunnels in Spain is detailed. It also describes the content and implementation of leaflet UIC 779-11. Two points are dedicated tohighlight the concept of critical length and the need to determine the critical time gap of the passing trains in the case of doubletrack tunnels. It complements the analysis by treating the problem of drag in tunnels. The article ends with the minimum sectionsapplied in the high-speed rail Spanish and conclusions.

RESUMEN El artículo describe el fenómeno físico que experimenta un tren de alta velocidad cuando entra en un túnel.Pasa revista a los criterios analizados por la Unión Internacional de Ferrocarriles para entender los fenómenos aerodi-námicos que se producen así como distintos fundamentos teóricos para desarrollar un modelo de cálculo teórico que per-mitiese los estudios paramétricos del problema, la validación del programa de cálculo así como determinar los efectosque las variaciones de presión tenían sobre el oído humano. La necesidad de trenes estancos y la cuantificación de susgrados de estanqueidad es puesta de manifiesto. La normativa de aplicación para la determinación de la sección trans-versal de los túneles en España es detallada. Asimismo se describe el contenido y aplicación de la ficha de la UIC 779-11. Se dedican dos puntos a poner de manifiesto el concepto de longitud crítica y a la necesidad de determinar en desfa-se crítico en el caso de túneles de vía doble. Se complementa el análisis tratando la problemática de la resistencia alavance en túneles. El artículo termina con las secciones mínimas aplicadas en el ferrocarril español de alta velocidad ylas conclusiones al respecto.

131

Palabras clave: Fenómenos aerodinámicos, Flujo isentrópico, Ondas, Estanqueidad, Criterio de salud y confort,Coeficiente de bloqueo, Desfase de tiempo, Resistencia al avance.

Keywords: Aerodynamic phenomena, Isentropic flow, Waves, Water tightness, Health and comfort criteria,Rate lock, Time delay, Drag.

(*) Consejero Tecnológico. Fundación Caminos de Hierro. Consultor. Ing. de Caminos, Canales y Puertos. E-mail: [email protected]


13DETERMINACION 20/4/12 17:46 Página 131

Los estudios tenían como misión tres aspectos complemen-tarios:

a. Desarrollar un modelo de calculo teórico permitiendoun estudio paramétrico del problema.

b. Realizar un conjunto de ensayos a escala real que per-mitiesen la validación del programa de cálculo.

c. Determinar los efectos que las variaciones de presióntenían sobre el oído humano.

A estos efectos, a través de la UIC se constituyó un Comitémultidisciplinar (C-149 de la Oficina de Investigación y Ensa-yos –ORE- de la UIC).

Antes del desarrollo y divulgación de estos conocimientosla sección transversal de los túneles, incluso en líneas de altavelocidad, se determinaban con criterios puramente empíricos(por experiencia específica o por comparación con otros ferro-carriles más avanzados) así se fijó la sección de los túneles dela primera línea de alta velocidad en España (Madrid-Sevilla)en 75m2. En las siguientes líneas ya se tuvieron en cuenta losestudios realizados y los túneles fueron dimensionados deforma científicamente más racional.

2. EFECTOS AERODINÁMICOS EN LOS TÚNELES.CONSIDERACIONES BÁSICAS

Cuando la cabeza de un tren entra en un túnel, al aire que seencuentra a la entrada se comprime creando una onda de pre-sión que se propaga a lo largo del mismo a la velocidad del so-nido, esta onda al llegar a la boca de salida del túnel se reflejacomo onda de depresión en dirección a la boca de entrada. Porotra parte, cuando la cola del tren entra en un túnel, se pro-duce una caída de presión (onda de depresión) que también sepropaga hacia la cabeza del tren a la velocidad del sonido,cuando alcanza la boca de salida se refleja como onda de pre-sión. Este fenómeno se repite hasta que las ondas son amorti-guadas totalmente (Figura 1).

Este conjunto de ondas (de presión y depresión) de distintosigno chocan contra el tren mientras dura su tránsito por eltúnel produciéndose unas bruscas variaciones de presión en

el exterior del mismo (Figura 2).Estas variaciones de presiónafectarán a los pasajeros del tren en mayor o menor medidasegún las características tanto del tren como del túnel. En laparte inferior de la figura se recogen las variaciones de pre-sión en las tres partes más características del tren (cabeza,centro y cola). Con cabeza de flecha se indican los impactos delas ondas contra la cabeza del tren.

En caso de un túnel de doble vía la complejidad de las his-torias de presión se puede incrementar por la existencia de unsegundo tren en sentido contrario. En la Figura 3 se ha reco-gido en la parte superior el diagrama de ondas y en inferiorlas variaciones de presión en la cabeza del tren.

3. APROXIMACIÓN TEÓRICA AL FENÓMENOEn un túnel de sección uniforme, los principales parámetrosque hay que considerar para la cuantificación de las variacio-nes de presión son los siguientes:

• Velocidad del tren.• Sección transversal del tren.• Longitud del tren.• Forma de la cabeza y cola del tren.• Forma y rugosidad de la superficie exterior del tren.• Sección del túnel.• Longitud del túnel.• Rugosidad del revestimiento del túnel.• Condiciones medioambientales (presión y tempera-

tura).A estos parámetros, y en el caso de un túnel de vía doble

hay que añadir las características del segundo tren y eltiempo de desfase de su entrada respecto al primero. El efectodel parámetro desfase se puede observa en la Figura 4 dondese reflejan la variación de presión en la cabeza con un desfasea la entrada de 5 segundos. En la misma se puede observar lareducción de presión respecto a la entrada simultánea (que notiene por qué ser la más crítica).

DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE TÚNELES FERROVIARIOS EN LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD


FIGURA 1. Diagrama deondas con un solo tren.(1) Ondas de presión.(2) Ondas de depresión.(3) Trayectoria del tren.

(1)

LONGITUD DEL TÚNEL

TREN DE 200m DE LONGITUD A 300 Km/h

(2)(3)

0 5 10 15 20 25

1.500

1.000

500

0

x(m)


Desde el punto de vista de la dinámica de fluidos existenvarios métodos de cálculo para el análisis teórico del fenó-meno habiendo sido analizados los siguientes:

a. Flujo no isentrópico.b. Flujo isentrópico con rozamiento.c. Flujo isentrópico sin rozamiento.d. Flujo con densidad del aire y velocidad del sonido cons-

tantes.

e. Flujo incomprensible (velocidad del sonido infinita ydensidad del aire constante.

En el modelo (a), la propagación de las ondas y los efectostérmicos se representan de acuerdo con las ecuaciones de con-tinuidad, de cantidad de movimiento y energía y a la primeray segunda ley de la termodinámica, siendo el más riguroso.Los otros modelos representan el comportamiento de los flujosde una manera simplificada, aunque solo los modelos (b) y (d)lo hacen de una manera suficientemente realista.



FIGURA 2. Descripción delfenómeno aerodinámico.

FIGURA 3. Cruce de dostrenes con entrada simultánea.

DIAGRAMA ESPACIO-TIEMPO

DIAGRAMA PRESIÓN-TIEMPO

VARIACIONES DE PRESIÓN EN LA CABEZA

VARIACIONES DEPRESIÓN EN LA COLA VARIACIONES DE PRESIÓN EN

EL CENTRO

0 10 20

1.500

1.000

500

0

2.000

1.000

0

–1.000

–2.000

–3.000

–4.000

–5.000

x(m)

p(Pa)

t

t


TÚNEL DE 1.600 m Y 80 m2 DE SECCIÓNENTRADA SIMULTANEA DE

LOS 2 TRENES


VARIACIONES DE PRESIÓN EN LA CABEZA

0 5 10 15 20 25

1.500

1.000

500

0

2.000

1.000

0

–1.000

–2.000

–3.000

–4.000

–5.000

x(m)

p(Pa)2 TRENES A 300 Km/h

5.950pa

tb

tb


El Comité mencionado anteriormente consideró que el mo-delo (b) tenía la ventaja de un proceso de cálculo relativa-mente sencillo y suficiente aproximación con las siguientescondiciones:

• No debían darse situaciones donde las transferenciasde calor fueran importantes.

• El túnel debía ser lo suficientemente largo para los flu-jos se comportasen como no estacionarios en un tubo,pudiendo tratarse como unidimensionales.

El problema físico, en este caso, se resuelve aplicandolas ecuaciones de continuidad, de la cantidad de movi-miento y aplicando la condición de flujo isentrópico. La va-lidación de la precisión en la estimación de las variacionesde presión con este método de cálculo se realizó en múlti-ples ensayos reales. En la Figura 5 se puede observar elalto grado de precisión entre la variación de presión calcu-lada y la medida.

También se determinó que el criterio de diseño de los túne-les debería estar basado en limitar la máxima variación de

presión que puede afectar a los pasajeros en determinado pe-riodo temporal, que fue fijado en 3 o 4 segundos que es eltiempo que normalmente se tarde en equilibrar las presionesinternas y externas del tímpano. Asimismo, se hicieron múlti-ples ensayos en cámaras de presión para evaluar las variacio-nes de presión consideradas como aceptables o como molestaspor distintos colectivos de personas. Dada la heterogeneidadde las respuestas no se estableció ningún límite de confortabi-lidad recomendado por la U.I.C., siendo su definición potestadde cada ferrocarril.

En el punto 6 esta cuestión será ampliada.

4. EXPLOTACIÓN CON TRENES ESTANCOSA partir de ciertas velocidades para obtener unas variacionesde presión acotadas y admisibles para los criterios de confortrecomendables y que serán expuestos posteriormente, seríannecesarias secciones muy grandes y por tanto tremendamentecostosas, para no penalizar el confort o la velocidad al pasopor los túneles.



FIGURA 4. Diagrama deondas, cruce de 2 trenes condesfase (5 sg) a la entrada.

FIGURA 5. Comparación entrecálculo y medición.

DIAGRAMA ESPACIO TIEMPO

TÚNEL DE 1.500 m Y 60 m2 DE SECCIÓNDESFASE 5 sg

DIAGRAMA PRESIÓN TIEMPO

VARIACIONES DE PRESIÓN EXTERNAS EN LA CABEZA

0 5 10 15 20 25

1.500

1.000

500

0

3.000

2.000

1.000

0

–1.000

–2.000

–3.000

–4.000

–5.000

–6.000

–7.000

x(m)

p(Pa)

tb

tb

Tiempo

PRESIÓN CALCULADAPRESIÓN MEDIDA

Pres

ión

(pa)


Esta situación ya había sido considerada por los fabrican-tes de trenes que vieron como una necesidad del mercado lafabricación de los trenes llamados estancos.

Esta realidad añade un elemento nuevo de complejidad aldiseño de los túneles, ya que el término estanco no es con-cepto absoluto: un tren no es o es estanco, sino que en el se-gundo caso tiene un cierto grado de estanqueidad que hay queconocer para determinar el grado de confort al que estarán so-metidos los viajeros. La definición de los coeficientes de estan-queidad se trata a continuación:

Coeficientes de estanqueidad (E).-Las variaciones de presión en el exterior de un coche de trenestanco pueden cambiar las presiones internas a través dedos mecanismos:

1. El coche se deforma por la presión exterior. Como con-secuencia del cambio de volumen, la presión internapuede llegar a variar en un porcentaje apreciable de lapresión externa.

2. La diferencia de presión conduce el aire a través deciertas zonas de fugas de forma que la presión internatiende a seguir a las fluctuaciones de presiones exter-nas, con un cierto desfase de tiempo.

Para cuantificar este fenómeno, se ha definido el conceptode grado de estanqueidad. Asimismo, para simplificar, se con-sidera que el volumen del tren se mantiene constante a pesarde la deformabilidad del mismo, ignorando por tanto los efec-tos del punto 1, considerando exclusivamente los efectos delas fugas de aire.

Existen dos tipos diferentes de coeficientes de estanqueidad,el coeficiente de estanqueidad cuasi-estático Eest y el coeficientede estanqueidad dinámico Edin. Es el dinámico el coeficiente deestanqueidad que verdaderamente describe las fluctuaciones depresiones externas e internas. Sin embargo, debido a las dificul-tades para una medición con la suficiente precisión de este coefi-ciente, erróneamente se utiliza la medición efectuada en un co-che estacionario aislado Eest como una aproximación del mismo.Eest es varias veces superior (2 o 3 veces) al Edin.

Coeficiente de estanqueidad estático, Eest.-Eest se determina fácilmente aplicando una sobrepresión in-terna a un coche aislado y midiendo el cambio temporal depresión interna cuando se ha eliminado la sobrepresión man-teniendo constante la presión externa (normalmente la pre-sión atmosférica). En este caso,

Siendo:t = tiempo.Δp(0) = Diferencia de presión al inicio.Δp(t) = Diferencia de presión al final.

Si el experimento termina cuando la presión diferencial(Δp(t2)) ha caído hasta el 36.8% del valor inicial (Δp(0)), enton-ces Ln (Δp(0)/ Δp(t2) = 1 y Eest=t ,

Coeficiente de estanqueidad dinámico, Edin.-La estanqueidad de un coche sometido dinámicamente auna presión externa variable se debe expresar por el coefi-ciente de estanqueidad dinámico, Edin, que se define por laexpresión:

En la cual,ΔP (t) = diferencia de presiones, (Pe-Pi), en el tiempo t.Pe = presión exterior al tren, varia con el tiempo.Pi = presión interior del tren, varia con el tiempo.

Edin es siempre positivo y varia de 0 a ∞, siendo 0 para untren completamente no estanco e ∞ para un tren ideal, perfec-tamente aislado.

La medida de la estanqueidad dinámica requiere una com-binación de experimentos y análisis teóricos. La prueba diná-mica conlleva primeramente la medida de las presiones exter-nas dinámicamente variable en el mismo sitio y al mismotiempo que las variaciones de presión internas.

E P tdP dtdin =

Δ ( )/int

E tLn p p test =

[ ]Δ Δ( ) / ( )0



FIGURA 6. Cruce de 2 trenescon estanqueidad media/baja(4sg).


TÚNEL DE 1.500 m Y 80 m2 DE SECCIÓN


VARIACIONES DE PRESIÓN INTERNAS EN LA CABEZA

0 5 10 15 20 25

1.500

1.000

500

0

3.000

2.000

1.000

0

–1.000

–2.000

–3.000

–4.000

–5.000

–6.000

–7.000

x(m)

p(Pa) 2 TRENES A 300 Km/h

Dp. máxima 3.1kpa

tb

tb


En los ejemplos de la Figura 6 y 7 se pueden ver tanto laspresiones externas como internas experimentadas por uno delos dos trenes de 200 m. de longitud que entran simultánea-mente en el interior de un túnel de 1500 m. de longitud a lavelocidad de 300 km/h en la cabeza del mismo, con distintogrado de estanqueidad (el primero de baja/media estanquei-dad Edin= 4sg y el segundo de alta estanqueidad Edin= 12 sg) ycon coeficiente de bloqueo (cociente entre la sección transver-sal del tren y túnel) de 0,16.

Es evidente la importancia económica de diseñar los túne-les en las líneas de alta velocidad con criterios muy claros res-pecto al confort mínimo a ofrecer a los futuros viajeros lo queimplica la definición de la velocidad máxima de explotación yel tren o trenes tipo que los utilizarán.

En la Figura 8 se puede comprobar el grado de precisiónentre las presiones internas medidas y las calculadas:

5. CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO DE TÚNELESPara el dimensionamiento de los túneles se utilizan dos criterioscomplementarios: el criterio de salud y el criterio/s de confort:

Criterio de salud

En general, en todo el proceso de cálculo para el dimensiona-miento de los túneles solo se planteaba el grado de confortabi-lidad, sin embargo, al tratar de trenes estancos un nuevo yfundamental criterio tiene que intervenir: la salud.

La Directiva Comunitaria 96/48CE relativa a la interope-rabilidad del sistema ferroviario transeuropeo de alta veloci-dad, considera a la salud como una exigencia esencial y quedebe ser garantizada en cualquier circunstancia. Por tanto, enlíneas de alta velocidad con túneles y explotadas con trenesestancos, el primer criterio de diseño es asegurar que a las ve-locidades máximas y en las peores condiciones de explotaciónposibles, la variación de presión externa máxima no sobre-pase el límite de salud ya que al no ser (de momento) los sis-temas de estanqueidad “fail-safe” el conductor del tren nosabe al entrar en el túnel si esta va o no a funcionar, lo queimplicaría que un tren estanco puede dejar de serlo sin cono-cimiento previo.

Hasta la posible aparición de los nuevos trenes de alta ve-locidad (en ciertos casos aún en desarrollo por los fabricantes)



FIGURA 7. Cruce de 2 trenescon estanqueidad alta (12sg).

FIGURA 8. Comparación entrecálculo y medición de

presiones en trenes estancos.

DIAGRAMA ESPACIO-TIEMPOTÚNEL DE 1.500 m Y 80 m2 DE SECCIÓN


VARIACIONES DE PRESIÓN INTERNAS EN LA CABEZA

Variaciones de presión externas en la cabeza

0 5 10 15 20 25

1.500

1.000

500

0

3.000

2.000

1.000

0

–1.000

–2.000

–3.000

–4.000

–5.000

–6.000

x(m)

p(Pa)

2 TRENES A 300 Km/h

Dp. máx: 1,5 vs 3,1 kpa

tb

tb

Tiempo

PRESIONES EXTERNAS MEDIDASPRESIONES INTERNAS MEDIDASPRESIONES INTERNAS CALCULADAS

Pres

ión

(pa)


con unos sistemas de estanqueidad altos (Edin>6 segundos) losefectos que sobre la salud de los viajeros pudiesen tener lasvariaciones de presión habían sido razonablemente desdeña-dos dado el amplio margen existente entre los niveles de con-fort existentes, el umbral de percepción del dolor y el poten-cial daño (umbral de salud).

Sin embargo, con los nuevos trenes se podría dar la situa-ción de unas variaciones de presión muy altas en el exteriorque siendo adecuadamente filtradas en el interior por los sis-temas de estanqueidad garantizasen un óptimo grado de con-fort pero que en caso de no funcionamiento de la misma com-prometiese la salud de los pasajeros. Por tanto era necesariofijar el umbral de salud, que tiene que ser un límite irrevasa-ble en cualquier circunstancia y de obligado cumplimiento.

Para definir ese límite se creó un grupo de trabajo al quefueron convocados un conjunto de médicos especializados enotorrinolaringología de diversos países de reconocido prestigioa nivel internacional, y que después de múltiples reuniones ydiscusiones acordaron el siguiente criterio:

“La máxima variación de presión (pico a pico), a laque los pasajeros y la tripulación de un tren puedenser sometidos, no debe exceder de 10 kpa en cual-quier intervalo de tiempo a lo largo del tránsito deltren en cualquier túnel”.Esta definición del criterio de salud fue incorporada a la

Especificación Técnica de Interoperabilidad del subsistema deInfraestructura siendo por tanto de obligado cumplimiento.

El tren de cálculo para asegurar el cumplimiento del re-quisito obligatorio tiene que ser el tren límite interoperabledefinido en la ETI del subsistema Material Rodante. Estetren límite está definido tanto en sus aspectos geométricosbásicos: longitud máxima de 400m, sección transversal de12m2, como en sus aspectos aerodinámicos, viniendo estos de-finidos por su firma aerodinámica límite (curva característicatren-túnel-presión), que viene precisada en la normativa eu-ropea EN 14067-5 con el esquema de la Figura 9.

En la misma ΔPN<=1600, ΔPN +ΔPfr<=3000 y ΔPN +ΔPfr+ΔPT<=4100 pa

Estos valores corresponderían a un tren a una velocidadde 250km/h, y con una sección del túnel de 63m2.

La firma aerodinámica de un tren se obtiene midiendo lasvariaciones de presión que se obtienen en un punto determi-nado en un túnel que cumpla una distancia mínima a la boca

de entrada a la entrada del tren objeto de la medición. La dis-tancia mínima está definida mediante la expresión siguiente:

Siendo c la velocidad del sonido, Ltr y Vtr la longitud y velo-cidad del tren y donde la distancia adicional ?X1 garantizauna buena separación temporal de las variaciones individua-les de presión (unos 100 m se consideran suficientes).

En la Figura 10 se ha incluido un ejemplo de avaluaciónde la firma/huella aerodinámica de un tren:

Criterio de confortA diferencia del criterio de salud, a nivel internacional no hahabido consenso para fijar el límite de confort, considerándosecomo un criterio a fijar por cada operador ferroviario. Al noser considerado este criterio como un requerimiento esencialen la ETI no se fijaron límites al respecto, excepto los siguien-tes límites recomendados como no rebasables por la UIC y lanorma UNE - EN 14067-5 (anexo B-3).

Trenes no estancos:• 4.5 kPa en un periodo de 4 segundos para el caso de tre-

nes que se crucen en un túnel con el desfase pésimo.• 3.0 kPa en un periodo de 4 segundos para el caso de un

túnel de vía única.Trenes estancos:La presión experimentada por un pasajero a bordo de un

tren no debe exceder los siguientes cambios:• 1000Pa en un periodo de 1 segundo.• 1600Pa en un periodo de 4 segundos.• 2000Pa en un periodo de 10 segundos.El criterio en este caso es tanto para los trenes de vía

única como para los de vía doble con el desfase crítico.

6. EL DIMENSIONAMIENTO DE TÚNELES EN ESPAÑALos documentos de referencia para el dimensionamiento delos túneles en España son:

• “Recomendaciones para dimensionar túneles ferrovia-rios por efectos aerodinámicos de presión sobreviajeros” redactado por el Ministerio de Fomento.

Xp c Ltr

c VtrX= +

.–

Δ 1



FIGURA 9. Firmaaerodinámica del tren límiteinteroperable.

p

t

Δp f

rΔp N

Δp T

Δp H

p


• “Instrucciones y recomendaciones para la redacción deproyectos de plataforma, IGP-2008, IGP-4.1” de ADIF.

En ambos documentos se utilizan dos criterios complemen-tarios:

– Criterio de salud – Criterio de confort.A continuación se analizan ambos criterios.

6.1. CRITERIO DE SALUD6.1.1. Túneles de vía única:Velocidad del tren: 350km/h.

La máxima variación de presión no debe superar los 10kpadurante todo el tránsito del tren en el túnel considerado eltren como no estanco. Los cálculos se deberán realizar paratrenes de longitudes de 100, 200 y 400 m de longitud y conuna sección transversal de 12 m2 (máxima sección contem-plada en las Especificaciones Técnicas de Interoperabilidaden el subsistema Material Rodante).

6.1.2. Túneles de vía dobleSe analiza el caso de cruce de dos trenes no estancos a 300km/h ó la velocidad de proyecto en el túnel incrementada en un10% si el resultado es inferior a 300 km/h., con el desfase a laentrada pésimo. La máxima variación de presión no debe supe-rar los 10 kpa durante todo el tránsito del tren en el túnel.

Las características de los trenes son las mismas que en elcaso anterior.

6.2. CRITERIO DE CONFORT6.2.1. Túneles de vía únicaSe considera un tren convencional moderno no estanco a lavelocidad de 220 km/h, limitándose a 2 kpa la máxima varia-ción de presión en 4 segundos. El tren de cálculo tendrá unalongitud de 200 m y una sección transversal de 10 m2.

6.2.2. Túneles de vía dobleSe considera el cruce de dos trenes, con el desfase pésimo, unode alta velocidad a 300 km/h y otro convencional a 220 km/h(en caso de la velocidad del proyecto sea inferior se conside-

rará la velocidad del mismo incrementada en un 10%, con unmínimo de 220 km/h), limitándose a 4 kpa en 4 segundos lamáxima variación de presión que puede experimentar el trenconvencional.

Adicionalmente, las “Instrucciones y recomendacionespara la redacción de proyectos de plataforma” (IGP-2008) deADIF consideran la comprobación del confort de los trenescon estanqueidad activa. En este caso se definen los límitesde variación de presión interiores en 3 intervalos temporalessiguientes:

• 1.0kPa en un intervalo de 1segundo.• 1.6kPa en un intervalo de 4 segundos.• 2.0kPa en un intervalo de 10 segundos.Valores coincidentes con los límites recomendados por la

norma europea y UIC.Los trenes tendrán las mismas características que en caso

anterior y con una estanqueidad dinámica de 6 segundos.Dado que los trenes actuales de alta velocidad tienen una es-tanqueidad dinámica superior a 6 segundos los valores de di-seño se consideran adecuados aunque sean los valores límiterecomendados para trenes con estanqueidad activa.

7. EL PREDIMENSIONAMIENTO DE TÚNELES.FICHA UIC 779/11

La UIC publica en el año 19951 el primer documento oficialorientado a servir como guía para la aplicación práctica de losconocimientos adquiridos en la problemática de los túneles enlíneas de alta velocidad. Este primer documento se refirió ex-clusivamente a la consideración de trenes no estancos. Fue re-editado en el año 2005 con la inclusión de los resultados obte-nidos en los trabajos realizados hasta el año 1998 queconsistieron en recomendaciones para la definición de crite-rios de diseño y la potencial utilización de chimeneas para lareducción de las variaciones de presión como método alterna-tivo o complementario en el diseño de los túneles.



FIGURA 10. Ejemplo decaracterización de la

firma/huella aerodinámica deun tren.

1 Trabajos dirigidos por el autor del presente artículo a la sazón Presi-dente del Subcomité de Túneles de dicho Organismo Internacional(1994-1998).



AMORTIGUACIÓN DE LAS ONDAS

FIRMA AERODINÁMICA

0 5 10 15 20 25 30 35 40

2.000

1.500

1.000

500

0

6.0005.0004.0003.0002.0001.000

0–1.000–2.000–3.000–4.000–5.000

x(m)

p(Pa)

MEDICIONES A600m DE LA BOCA

DE ENTRADA

tb

tb


El objetivo de este documento (ficha 779-11) era la confec-ción de un documento de fácil uso que sirviese de guía parauna predeterminación de la sección necesaria y que cubriesela mayor parte de los casos posibles:

En concreto, y para los trenes no estancos tiene en cuentalas siguientes funcionalidades y escenarios de explotación:

• Trenes de velocidad alta (remolcados): 180 a 220 Km/h.• Ramas de alta velocidad: 200 a 350 Km/h.• Los tipos de operación considerados fueron:• Ramas de alta velocidad en vía única o doble (con cru-

ces a la misma velocidad).• Cruces de trenes de velocidad alta con ramas de alta

velocidad.Para cada combinación del tipo de túnel (vía única o do-

ble), el tipo de tren y su velocidad, los resultados de la má-xima variación de presión en diversos plazos temporales fue-ron dibujados como ordenadas para cada ratio de longitudes(longitud de túnel dividido por lo longitud del tren) en absci-sas y para un conjunto de coeficientes de bloqueo (seccióntransversal del tren dividido por la sección transversal del tú-nel). Esto fue realizado para los plazos temporales 1, 4 y 10segundos (1 y 10 solo para vía única) para tener en cuenta losdistintos criterios de diseño existentes en diversas Adminis-traciones Ferroviarias (Figuras 11 y 12).

Utilización de la FichaPara la determinación de la sección de un túnel, es esencialtener definido el criterio de confortabilidad auditiva, las ca-

racterísticas de los trenes que lo utilizarán y sus posiblescombinaciones y las velocidades máximas de los mismos.

Para cada combinación y entrando en la gráfica adecuadase puede obtener directamente la relación de bloqueo necesa-rio. La obtención de la sección del túnel necesaria (sección li-bre a efectos aerodinámicos) se obtiene por una simple divi-sión entre la sección del tren y la menor de las relaciones debloqueo calculadas para las distintas combinaciones de tre-nes.

Dada la complejidad de cálculo y las simplificaciones quehubo que realizar para dibujar las curvas, se recomienda queel uso de la ficha sea exclusivamente para el prediseño yaque, en ciertos casos, las diferencias entre los resultados deaplicación de la ficha y el cálculo específico pueden ser impor-tantes, como por otra parte indica la propia ficha.

8. LONGITUD DE TÚNEL CRÍTICAComo se indicó en el punto 3 y se puede comprobar en laforma de las curvas de las gráficas de la ficha de la UIC lalongitud del túnel es relevante en relación a las máximas va-riaciones de presión que se generen. Se denomina longitudcrítica de túnel la que da lugar a la presión negativa más im-portante y que en el caso de un túnel de vía única es aproxi-madamente:

Siendo c la velocidad del sonido y Ltr y Vtr la longitud y veloci-dad del tren.

L L c

vc

vtu crittr

tr tr, ≈ +

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

41



FIGURA 11 y 12. Gráficos ficha UIC 779/11.

0 5 10 15 20 25 30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

B0.26

0.24

0.22

0.2

0.18

0.16

0.14

0.12

0.1

Ltu/tr

MA

XIM

UM

PRE

SSU

RE C

HA

NG

E IN

4 S

EC/k

Pa

G.4.7. - STREAMLINED HIGH SPEED TRAIN, SPEED 300 km/h

PLATE 31DOUBLE-TRACK TUNNELS

2 TRAINS SAME TYPE

0 5 10 15 20 25 30

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

B

0.26

0.24

0.22

0.2

0.18

0.16

0.14

0.12

0.1

Ltu/tr

MA

XIM

UM

PRE

SSU

RE C

HA

NG

E IN

4 S

EC/k

Pa

G.5.5. - STREAMLINED HIGH SPEED TRAIN, SPEED 330 km/h

PLATE 31DOUBLE-TRACK TUNNELS

2 TRAINSDIFFERENTTYPES


En el caso de un túnel de vía doble la longitud críticaadopta el siguiente valor:

Correspondiendo los subíndices 1 y 2 a los trenes que sepueden cruzar en el interior del túnel.

Como ejemplo y para una velocidad de 300 km/h, la longituddel túnel crítico es, aproximadamente, de 5 veces la longitud deltren si se trata de vía única y de 4 veces en caso de doble vía(cuando los dos trenes tienen la misma velocidad y longitud).

9. TÚNELES DE VÍA DOBLE. DETERMINACIÓN DELDESFASE CRÍTICO

Como se ha comentado en los puntos anteriores, en el caso detúneles de vía doble se deben determinar las presiones con eldesfase de entrada de los dos trenes que aseguren que estasson las mayores posibles, para ello es esencial determinar eldesfase crítico. Según EN 14067-5 las franjas temporalespara asegurar la captación de los picos debe ser: Δt ≤ Ltu/(5c).

En la Figura 13 se muestran los máximos valores absolu-tos de diferencias de presión en función del momento relativo

de entrada de dos trenes idénticos que circulan a la mismavelocidad.Siendo:|p| valores absolutos de diferencia de presión.Δt1,2 tiempo relativo de entrada del tren 1 y del tren 2, en s.1 tren contrario abandona el túnel antes de la entrada

del tren 1 (cruce virtual).2 ambos trenes en el túnel.3 tren contrario entra en el túnel después de la salida del

tren 1 (caso de un solo tren).4 p–p0 > 0.5 p–p0 > 0.

Se puede observar que las presiones máximas se producencuando están los dos trenes en el interior del túnel (parte 2 dela Figura). El máximo número de cruces o simulaciones (Nc)para asegurar que se ha captado la situación crítica es portanto:

Es decir, el número de simulaciones/cálculos es indepen-diente de la longitud del túnel, dependiendo exclusivamentede la velocidad del tren de cálculo.

10. CONSIDERACIONES ADICIONALES: RESISTENCIAAL AVANCE

El cálculo de la sección de un túnel no se debe considerar ais-ladamente del diseño de la línea, esta idea es especialmenterelevante cuando se trata de túneles de cierta longitud, y aquíaparece un nuevo concepto a considerar que es el de resis-tencia al avance.

En general, las formulas de resistencia al avance al aire li-bre de un tren cualquiera vienen definidas por expresionespolinómicas del tipo:

R= C1+C2V+C3V2

Siendo V la velocidad del tren y los Ci coeficientes específi-cos para cada tipo de tren. El primer término (C1) es la resis-tencia mecánica a la rodadura y es una función lineal de lamasa del tren. C2V representa principalmente la resistenciapor pérdidas de aire de los sistemas de refrigeración de las lo-

Nc t

tLtu VLtu c

cV

= = =Δ

// 5

5

L c Lv

Lvtu crit

tr

tr

tr

tr,

,

,

,

,≈ +

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

21

1

2

2



FIGURA 14. Valores Tf promediadosde un tren de alta velocidad

(EN 14067-3).

FIGURA 13. Presiones según desfase a la entrada.

–50 –40 –30 –20 –10 0 10 20 30

|p| 1 2 3

4

5

Δt1,2

B

Ltr=20.000 m; Ltr=200 m; Vtr=100 m/s

Ltr=20.000 m; Ltr=200 m; Vtr=60 m/s

Ltr=2.000 m; Ltr=200 m; Vtr=100 m/s

Ltr=2.000 m; Ltr=400 m; Vtr=100 m/s

T f


comotoras y de climatización de los coches de viajeros, siendoC2=Qρ, donde Q es el caudal volumétrico total de aire de laventilación forzada y ? la densidad del aire. El tercer términoagrupa la resistencia a la presión externa y la debida al roza-miento aerodinámico.

En el caso de una vía en rampa, a esta expresión hay queañadirle la resistencia gravitatoria para superar la diferenciade cota (función exclusiva del peso del tren y de la rampa).Esta resistencia para una rama tipo AVE (S 100) y unarampa de 12.5 ‰ es del mismo orden de magnitud a la resis-tencia al avance para velocidades de 300 km/h (5268 daN vs5798 daN).

La resistencia al avance en el interior de un túnel se incre-menta al multiplicarse la componente aerodinámica por elfactor túnel (Tf) convirtiéndose la formula anterior en:

R= C1+C2V+Tf C3V2

Tf es la relación (≥1) entre la resistencia aerodinámica en tú-nel y la resistencia aerodinámica al aire libre.

En la Figura 14 está reflejado de forma cualitativa algu-nas curvas para casos específicos.

Este factor depende de numerosos factores, siendo la rela-ción de bloqueo B (sección tren/sección túnel) el más impor-tante, aunque también afectan el tipo de tren y su longitud, yen túneles cortos (< 2000 m), la longitud y la velocidad deltren.

De forma cuantitativa en la Figura 15 se ha incluido lacurva con valores de Tf en función de la sección transversaldel túnel para un AVE (S 100) circulando a 300 km/h.

Por tanto, la potencia de un tren al pasar por un túneldebe ser suficiente para vencer su resistencia al avance a lavelocidad objetivo, superando el efecto túnel (con la relaciónde bloqueo calculada con las metodologías y criterios de con-fort mencionados) y además vencer la fuerza gravitatoria encaso de vía en rampa. Este conjunto de factores puede hacerque el tren de alta velocidad no tenga potencia suficiente paramantener la velocidad requerida. En este caso, se puede ac-tuar aumentando la sección del túnel (menor relación de blo-queo) o modificando el trazado para disminuir la rampa, o in-cluso aceptando que la velocidad máxima no podrá seralcanzada por algunas circulaciones por insuficiencia de po-

tencia (ramas más potentes o con menor sección transversalpodrían alcanzar la velocidad objetivo).

Un análisis económico con la valoración de las alternati-vas que puedan plantearse (a nivel de anteproyecto) debe serla única manera de obtener la solución óptima. Independien-temente del estudio de alternativas, es recomendable intentarminimizar la declividad de la vía a su paso por los túneles, es-pecialmente en túneles largos, para evitar que el afecto delfactor túnel se añada al correspondiente a la rampa.

11. SECCIONES MÍNIMASIndependientemente de las consideraciones aerodinámicasmencionadas, por consideraciones de gálibo y exigencias de laDirectiva de Seguridad en Túneles Ferroviarios (fundamen-talmente en la necesidad de arcenes de evacuación), las sec-ciones se recomiendan que no sean inferiores a los siguientesvalores (valores aplicados por ADIF):

a. Vía única: 52 m2.b. Vía doble: 85m2.

12. CONCLUSIONESLa determinación de la sección transversal de los túneles dealta velocidad ha dejado de ser algo empírico, y basado en cri-terios poco o nada científicos, para convertirse en componen-tes de la infraestructura cuyo diseño/cálculo se optimiza enfunción tanto de los requerimientos funcionales generales dela línea en la que están situados como de las característicasgeométricas específicas del trazado del mismo.

13. BIBLIOGRAFÍAReports ORE C 149 (1985). Problèmes soulevés par la circula-tion des trains à grande vitesse dans les tunnels.Ficha UIC 779/11 (1995-2005). Determination of tunnels cross-sectional areas on the basis of aerodynamic considerations.EN 14067-3. Aplicaciones ferroviarias. Aerodinámica dentrode túneles.EN 14067-5. Aplicaciones ferroviarias. Requisitos y métodosde ensayo aerodinámico dentro de túneles.



FIGURA 15. Factor túnel función de lasección transversal del túnel.

52 57 62 67 72 77 82 87 92 97 102 107 112

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

Secciones transversales m2

Fact

or T

únel


143 libros 21/3/11 17:29 Página 143

EDICIONES DEL En esta Monografía se describe el estudioexperimental realizado sobre hormigonesexpuestos a un ambiente marino, situadosbien en zona de carrera de mareas, bien enzona sumergida, y pertenecientes a Muellesespañoles construidos con cajones flotantes.Tras analizar la documentación relativa ala ejecución de los cajones y revisar el es-tado actual del hormigón (tras un periodode exposición variable entre 2 y 31 años), seha realizado una serie de ensayos encami-nados a caracterizar el hormigón y a deter-minar la penetración de cloruros. Correla-cionando estos datos, se ha determinadoqué ensayos físicos son los más adecuadospara caracterizar la durabilidad del hormi-gón situados en estos ambientes marinos. Acontinuación, utilizando estos mismos datosy los recopilados de la revisión bibliográficarealizada, se ha desarrollado un modelo de

penetración de cloruros en el hormigón, adaptado a cada uno de los dosambientes, y se ha obtenido el coeficiente de eficacia de las adiciones mi-nerales, en cuanto a impermeabilidad a los cloruros. Finalmente, se hallevado a cabo un estudio sobre la influencia del curado con agua de marsobre las propiedades de hormigones de diferentes calidades.


P.V.P.: 18€

Para conocer de modo fiable el impacto energé-tico y de emisiones de un determinado proyectohidráulico es necesario aplicar metodologías ca-paces de analizar de una manera integrada losimpactos energéticos de todas las tareas inclui-das en el ciclo completo del agua. Estas metodo-logías, que son de uso común desde hace añosen numerosos sectores industriales, son conoci-das como “Análisis de Ciclo de Vida” (ACV). Suaplicación viene siendo objeto de normalizacióninternacional (Normas ISO-14040 y derivadas)desde finales de la década de 1990.Los análisis de ciclo de vida tratan de evaluar latotalidad de los efectos ambientales que generaun determinado producto o servicio en las suce-sivas etapas de diseño, producción, distribución,utilización y eliminación. En cada etapa se con-sideran no sólo los efectos directos, sino también

los indirectos, esto es, los que se generan a través de la utilización de ma-terias primas, productos semielaborados, servicios auxiliares y, en gene-ral, cualquier actividad vinculada al ciclo de vida del producto.En el presente trabajo se trata de obtener una primera aproximación alproblema de los consumos de materiales y energía que se generan directae indirectamente durante la construcción de infraestructuras hidráulicas,con una orientación especial hacia los sistemas dedicados al abasteci-miento urbano. Por consiguiente, se tomarán en consideración las infraes-tructuras más habitualmente utilizadas para esta finalidad, dentro de losintervalos de escala que se suelen presentar en los sistemas urbanos, evi-tando entrar en la consideración de macroproyectos específica o mayorita-riamente orientados al regadío. Las estaciones de tratamiento (desalado-ras, desalobradoras, potabilizadoras y depuradoras) quedan fuera delámbito del presente estudio.


P.V.P.: 15€

El correcto manejo y procesamiento de los fan-gos generados en las estaciones depuradoras deaguas residuales es un importante reto tantoeconómico como medioambiental. El marco le-gal que regula el destino final de los fangosexige que estos sean tratados para eliminar sunaturaleza putrescible y eliminar efectos noci-vos, tanto para el medio ambiente como para lasalud humana. En definitiva se pretende que elfango presente un grado de estabilización quedependerá del destino final del mismo.El término “estabilidad” es uno de los más usa-dos y divergentes, existiendo diferentes normasque establecen criterios dispares para conside-rar un fango estabilizado. Pero ¿es realmentepositivo estabilizar un fango si su destino es elaprovechamiento de sus nutrientes en la agri-cultura? ¿hasta donde hay que estabilizarlo?

¿qué limite de fracción volátil presenta un buena estabilización?. Asímismo, se hace necesario garantizar las condiciones higiénico-sanitariasen la gestión de los fangos, bien habiéndolos sometido a un proceso de hi-gienización o bien mediante una correcta gestión posterior de los mismos.En este trabajo se aborda el análisis de dos conceptos que se consideranrelevantes para la correcta gestión de los fangos generados en una depu-radora: estabilidad e higienización. Por otro lado, se pretende transmitirde manera sencilla y asequible la teoría de los procesos de digestión defangos, a la vez que se acompaña de los resultados prácticos de un trabajode experimentación. Se han seleccionado para este estudio los siguientesprocesos biológicos: digestión anaerobia mesófila y termófila y digestiónaerobia termófila. En estos procesos, además de conseguir una reducciónde la putrescibilidad, generación de olores y contenido en patógenos, con-llevan una eliminación significativa de la masa de fango producida.

La Guía Técnica sobre depósitos paraabastecimiento de agua potable dacontinuidad a una serie de documentosnormativos relacionados con obras hi-dráulicas promovidos desde la Direc-ción General del Agua del Ministeriode Medio Ambiente, y Medio Rural yMarino. En concreto, los antecedentesdirectos de este documento son la GuíaTécnica sobre tuberías para el trans-porte de agua a presión (2003) y laGuía Técnica sobre redes de sanea-miento y drenaje urbano (2007). LaGuía se ha organizado en siete capítu-los, incluyendo una introducción en elCapítulo 1. El contenido de la GuíaTécnica comprende todo el proceso queatraviesa un depósito en su devenir:diseño (Capítulo 4), construcción (Ca-pítulo 5), aseguramiento de la calidad(Capítulo 6) y explotación (Capítulo 7).Asimismo, se definen los distintos ti-pos de depósitos (Capítulo 2) y las ca-

racterísticas básicas que deben cumplir los componentes que constitu-yen un depósito (Capítulo 3).


P.V.P.: 15€

El libro “La ciudad paseable” pre-senta una serie de recomendacionespara la consideración de los peatonesen el planeamiento, el diseño urbanoy la arquitectura. El objetivo de estapublicación es ofrecer al lector análi-sis, argumentos y recomendacionespara una mejor consideración de lospeatones en el planeamiento urbanís-tico y en los proyectos arquitectónicosy se inscribe dentro del más general,de potenciar los desplazamientos ur-banos a pié, como medio sostenible,saludable y económico de moverse enlas ciudades.


P.V.P.: 30€

Este libro es de sumo interés tanto para ellector especializado como para aquel quese quiera iniciar en el tema. Se componede dos partes principales, aunque tengacuatro capítulos; en la primera, con unlenguaje sencillo y asequible, relata cómonació el sistema constructivo del hormigónarmado y describe el proceso que siguie-ron las primeras patentes. Después se cen-tra ya en su introducción en España ycómo, a través de sus más importantes re-presentantes, se consolida como un sis-tema líder en la construcción en nuestropaís hasta que fue superado, tiempo des-pués, por el hormigón pretensado.


P.V.P.: 20€

Pedidos




P.V.P.: 15€

Esta publicación, planteada con un horizonte meramente estético, muestraimágenes de obras construidas con hormigón armado en los primeros tiem-pos que permanecen en pie en la actualidad. Se trata de una publicación vi-sual en la que el lector se puede deleitar con imágenes de alta calidad reali-zadas por reputados profesionales de la fotografía.

Pedidos



La Guía técnica sobre redes de saneamiento ydrenaje urbano es un documento cuyo objetivo esordenar el estado del arte en la materia y servirde guía al usuario de las redes de saneamiento ydrenaje en la aplicación de la muy abundante einconexa normativa al respecto. El ámbito deaplicación es de las redes de saneamiento y dre-naje, independientemente de cual sea su funcio-namiento hidráulico (en lámina libre, bajo pre-sión o por vacío), o su concepción (unitarias oseparativas). Quedan excluidos expresamente losemisarios submarinos y las estaciones depurado-ras. Tampoco son objeto de la guía las instalacionesde recolección de las aguas residuales y pluvialesen el interior de los edificios, ni las conduccionesde drenaje de las obras lineales.


P.V.P.: 48€


P.V.P.: 40€


P.V.P.: 20€

Este libro es la traduccióndel texto francés “Calcul descimentations superficielles etprofondes” originalmente pu-blicado en 1999 por el profe-sor Roger Frank. El objetivoha sido facilitar la divulga-ción de la práctica de cimen-tación francesa basada fun-damentalmente en métodosdirectos a partir de ensayos“in situ”, y, en particular, elensayo presiométrico, si-guiendo la experiencia y tra-dición desarrolladas porLouis Ménard. Los métodosdirectos, menos habitualesen los países de tradición an-glosajona, como es el caso deEspaña, pueden resultar unaalternativa o complementorazonable a los métodos clá-sicos de tipo indirecto. En el libro se recogen aspec-tos fundamentales relacio-nados con los cálculos decapacidad portante de ci-

mentaciones superficiales y profundas, tanto los basados en el mé-todo presiométrico como en otros ensayos in situ (CPT, SPT). Se de-sarrollan también otros aspectos como la evaluación de los esfuerzosparásitos sobre pilotes (rozamiento negativo, empujes laterales) o lainterpretación de pruebas de carga en pilotes recogiendo metodolo-gías específicas, poco conocidas fuera de Francia. Pero, conviene te-ner en cuenta para su empleo, que los ensayos “in situ” que involu-cran un avance previo de sondeo pueden estar afectados por el modode ejecución del mismo.


P.V.P.: 23€


P.V.P.: 35€

EDICIONES DEL

Este Manual pretende constituir una ayuda para to-dos aquellos que tienen que proyectar o construir fir-mes con capas tratadas con cemento, en especial paralos técnicos que se enfrentan por primera vez a unfirme de este tipo desde cualquier posición: empresasconsultoras, constructoras, laboratorios a administra-ciones. El texto detalla los conceptos básicos a los ma-teriales tratados con cemento, las propiedades de losdistintos tipos de mezclas, su dosificación y caracteri-zación, y describe las prácticas más adecuadas para elproyecto, construcción y control de calidad de los fir-mes con capas tratadas con cemento. El Manual es elresultado de la colaboración entre el Instituto Españoldel Cemento y sus aplicaciones (IECA), y el Centro deEstudios y Experimentación de Obras Públicas (CE-DEX), del Ministerio de Fomento.

La "Guía Técnica sobre tuberías parael transporte de agua a presión" es elresultado de un trabajo realizado en elCentro de Estudios Hidrográficos delCEDEX por encargo de la DirecciónGeneral de Obras Hidráulicas y Cali-dad de las Aguas del Ministerio de Me-dio Ambiente. Tiene por objeto compi-lar la normativa y reglamentaciónvigente sobre la materia, así como es-tablecer unos criterios generales en lorelativo al proyecto, instalación y man-tenimiento de tuberías para el trans-porte de agua a presión, independien-temente de cual sea su destino final(abastecimientos, regadíos, etc).

142libros 24/3/11 11:06 Página 142


Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas

DIRECCIÓN Calle de Alfonso XII, 3Director: Mariano Navas Gutiérrez 28014 MADRID

• Telf.: 913 357 500SECRETARÍA • Télex: 45022 CEDEX ESecretario: Manuel Echeverría Martínez • Fax: 915 280 354

RELACIONES EXTERNAS Y ACTIVIDADES COMERCIALESJefe: Miguel González Portal Telf.: 913 357 490 • Fax: 913 357 538

CENTRO DE ESTUDIOS DE PUERTOS Y COSTAS Calle Antonio López, 81 • 28026 MADRIDDirector: José María Grassa Garrido Telf.: 913 357 700 • Fax: 913 357 622

CENTRO DE ESTUDIOS HIDROGRÁFICOS Paseo Bajo de la Vírgen del Puerto, 3 • 28005 MADRIDDirector: Federico Estrada Lorenzo Telf.: 913 357 900 • Fax: 913 357 922

CENTRO DE ESTUDIOS DEL TRANSPORTE Autovía de Colmenar Viejo, km 18,2Director: Antonio Sánchez Trujillano 28049 El Goloso (MADRID)

Telf.: 913 357 800 • Fax: 913 357 822

CENTRO DE ESTUDIOS DE TÉCNICAS APLICADAS Calle de Alfonso XII, 3 • 28014 MADRIDDirector: Alberto Compte Anguela Telf.: 913 357 200 • Fax: 913 357 249

LABORATORIO CENTRAL DE ESTRUCTURAS Calle de Alfonso XII, 3 • 28014 MADRIDY MATERIALES Telf.: 913 357 400 • Fax: 913 357 422Director: Rafael Astudillo Pastor

LABORATORIO DE GEOTECNIA Calle de Alfonso XII, 3 • 28014 MADRIDDirector: Fernando Pardo de Santayana Carrillo Telf.: 913 357 300 • Fax: 913 357 322

LABORATORIO DE INTEROPERABILIDAD Calle Julián Camarillo, 30 • 28037 MADRIDFERROVIARIA Telf.: 913 357 150 • Fax: 913 357 197Director: Jaime Tamarit Rodríguez

CENTRO DE ESTUDIOS HISTÓRICOS DE Calle de Zurbano, 7 • 28010 MADRIDOBRAS PÚBLICAS Y URBANISMO (CEHOPU) Telf.: 913 489 800 • Fax: 913 489 816

144 DIRECTORIO 20/4/12 17:51 Página 144

h e r r e n k n e C h t A G | u t I l I t y t u n n e l l I n G | t r A F F I C t u n n e l l I n G e s pA ñ A

Datos Del Proyecto

escudo ePB s-450Diámetro: 11,520mmPotencia cabezal de corte: 6,300kW Longitud túnel: 4,849mGeología: arena, grava, arcilla dura

contratante

UTE LA SAGRERA (Grupo SACYR, S.A.)

B A r C e l o n A | e s pA ñ A

pAso seGuro BAjo lA sAGrADA FAmIlIA.Los especialistas de túneles de UTE LA SAGRADA idearon un desafío muy especial como parte del proyecto “Túnel del AVE Barcelona Sants-Sagrera”. Casi 5 kilómetros de recorrido de túnel ferroviario (diámetro interior 10,400mm) fue excavado por debajo del centro de la ciudad de Barcelona. Una sección parcial por debajo de la Calle Mallorca merece especial atención: la ruta recorre próximo a los cimientos de la “Sagrada Familia de Gaudí”, un patrimonio de la UNESCO y el orgullo de los catalanes.

Con la ayuda de “Barcino”, y el Escudo EPB S-450 (Ø 11,520mm) de Herrenknecht, los equipos de obra excavaron de forma segura el túnel sin causar ningún impacto en la super-ficie. El 26 de julio de 2011, todos los involucrados en el proyecto celebran el avance exitoso en el eje de destino cerca a la estación de Sants.

Esto ha sido un hito importante para el cliente ADIF para conectar la red ferroviaria española a Francia y Europa. Desde 2010, España tiene la mayor red ferroviaria de alta velocidad en Europa. Casi 20 proyectos de túneles con un total de más de 145 kilómetros de nuevas rutas se han realizado o están todavía bajo construcción utilizando la tecnología Herren-knecht – debajo de las ciudades y a través de cadenas montañosas de la Península Ibérica.

Herrenknecht aG D-77963 Schwanau Tel. + 49 7824 302-0 Fax + 49 7824 [email protected]

www.herrenknecht.com

Herrenknecht IbéricaUnipersonal, s.a.P° Castellana 192–13 dcha.28046 MadridTel. +34 91 359 80 08Fax +34 91 359 20 32

12-04-16_145_ID154_spAz_Barcelona_IngenieriaCivil_210x297_02_bp.indd 1 18.04.12 14:30

Boletín de suscripción

España un año: 49 € Extranjero un año: 81,12 €

❚ Empresa N.I.F. ................................................. ❚ Particular N.I.F. ...............................................Nombre .................................................................................. Cargo ...............................................Dirección ……………................................…………………………………………………………………………………………………………………………..............................…....……... Código Postal .........................Población ................................................................................... Provincia ........................................Teléfono ................................. Fax ......................................... E-mail ..........................................

Formas de Pago(Elíjase solamente una opción)

❚ Domiciliación bancaria (Solamente para cuentas bancarias en España)Muy Sres. míos:Ruego que, con cargo a mi cuenta y hasta nuevo aviso, atiendan el pago de los recibos correspondientes ami suscripción que les presentará al cobro la REVISTA INGENIERIA, editada por el Centro de Estudios yExperimentación de Obras Públicas CEDEX.Les saluda atentamente

Entidad bancaria ...............................................................................................................................Domicilio entidad ................................................................................................................................C.P. ......................... Localidad ................................................... Provincia ........................................

❚ Transferencia a favor del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas CEDEX

Cuenta del CEDEX (desde España): 0182 - 2370 - 45 - 0200200574Cuenta del CEDEX (desde el extranjero): IBAN: ES6501822370450200200574

SWIFT: BBVAESMM

❚ Cheque nominativo a favor del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas CEDEX

Fecha ............................... Firma

El Titular, Fdo. .................................................................................

Entidad Oficina D.C. Núm. de cuenta

Enviar a:Revista Ingeniería Civil (PUBLICACIONES)

Centro de Estudios de Técnicas Aplicadas del • c/ Alfonso XII, 3 • 28014 Madrid

Email: [email protected] Teléfono: 91 335 72 69

✄

desde nuestra página webwww.cedex.es

00-Cubierta 165 20/4/12 15:30 Página 2

HacemosGRANDES

hasta los SUEÑOS

más pequeños...

... porque en Ferrovial Agromán,

ponemos en tus manos

a los profesionales más cualificados del sector,

las más avanzadas tecnologías y más de 80 años

de experiencia en servicio y atención al cliente,

lo que nos ha dado reconocido prestigio

como empresa líder a nivel nacional e internacional.

Nosotros creemos en cada uno de nuestros clientes,

creemos en ese sueño y lo convertimos

en el más importante, dándole el respaldo

y la seguridad de hacerlo realidad.

CARRETERAS, FERROCARRILES, PRESAS, PUERTOS, AEROPUERTOS, OBRA INDUSTRIAL, HOSPITALES, CENTROS COMERCIALES, MUSEOS, VIVIENDAS, HOTELES, UNIVERSIDADES...

Eje Atlántico de Alta Velocidad. Tramo: Rialiño-Padrón (A Coruña). Plataforma.

12451 P 14-3-12 Rev Ing Civil PT.indd 1 14/03/12 10:40

■In

geni

ería

Civ

il •

NÚ

ME

RO

165

GOBIERNODE ESPAÑA

MINISTERIODE FOMENTO

MINISTERIODE AGRICULTURA, ALIMENTACIÓNY MEDIO AMBIENTE

CENTRO DE ESTUDIOS YEXPERIMENTACIÓNDE OBRAS PÚBLICAS

00-Cubierta 165 20/4/12 15:30 Página 1

hacemos grandes - cedex

Documents