Aplicación de la normativa sismorresistente a las infraestructuras de Alta Velocidad: Estudio de casos prácticos

Este trabajo surge como fruto de la experiencia profesional del autor dentro de la empresa RENFE (Red Nacional de los Ferrocarriles Españoles), más concretamente en la especialidad de las instalaciones de seguridad de señalización ferroviaria, y del deseo de aplicar a problemas que afectan de forma muy importante al tráfico de los trenes, los conocimientos adquiridos durante Ios estudios de la Licenciatura de C.C. Físicas en su especialidad de Geofísica y los estudios de doctorado cursados con posterioridad.

El trabajo se establece, por tanto, como un intento de integrar dentro de un marco común los planteamientos y acciones derivados de dos campos, en principio muy alejados entre sí, como son, el ferrocarril y principalmente la seguridad de la circulación de los trenes y los estudios sismológicos y sus aplicaciones prácticas a través de la ingeniería sísmica. Se verá a lo largo del desarrollo de este trabajo que es posible interrelacionar y lo que es más importante, integrar ambos campos sin que ello suponga ningún artificio academicista; antes bien, las conclusiones demostrarán que en determinados casos muy concretos las técnicas de funcionamiento de la instalaciones de seguridad de señalización y control de tráfico resultan la herramienta ideal (con un grado de fiabilidad, seguridad y disponibilidad altísimo) para detectar, evaluar y actuar frente a un riesgo de origen sísmico (Aunque en este estudio se considera únicamente las acciones y efectos producidas por los fenómenos sísmicos, el planteamiento del problema permite abordar fenómenos dinámicos de múltiples tipos: Desprendimientos de tierras, caídas de rocas, avalanchas (agua, tierra, nieve, etc.), efectos de oleaje, acciones eólicas, impactos de objetos, atentados terroristas, etc.).

La organización del estudio se establece según el siguiente esquema:

1. Análisis de la Normativa sismorresistente en vigor y estudio de su aplicación a las Infraestructuras de Alta Velocidad.

2. Marco sísmico del problema. Información sismológica dada por la norma sismorresistente e información adicional de interés. Consideración de la necesidad de adecuación de los parámetros sísmicos en función de las nuevas investigaciones.

3. Definición de las líneas de Alta Velocidad y Velocidad Alta, tanto en explotación como en construcción. Riesgo sísmico de las líneas de Alta Velocidad.

4. Estudio del trazado geométrico de las líneas de Alta Velocidad y de las estructuras que las componen. Parámetros geométricos y dinámicos de confort y seguridad de las líneas de alta velocidad.

5. Modelización de las estructuras, (viaductos y terraplenes). Cálculos estáticos y dinámicos de las mismas (introducción del estudio mediante métodos de elementos finitos, MEF). Introducción de la acción sísmica. Respuesta estructural.

6. Análisis de los resultados de deformación de las estructuras. Estudio de las consecuencias para el tráfico de trenes. Análisis de la variabilidad de dichos resultados en función del cambio en los valores de los parámetros de diseño y de la carga sísmica.

7. Diseño de sistemas de control de la seguridad de las estructuras. Utilización de redes microsísmicas. Integración en los sistemas de regulación de trafico ferroviario. Experiencias existentes; ejemplo: Japón.

Agradecimientos 5

0 Introducción 6

1 Normativa sismorresistente 7
1.1 Introducción
1.2 Real Decreto 2543/1994
1.3 NCSE-94
1.4 Directriz Básica de Planificación de Protección Civil ante el Riesgo Sísmico
1.5 Eurocódigo-8
1.5.1 Eurocódigos estructurales
1.5.2 Norma EN 1998. Eurocódigo 8.
1.5.3 El Eurocódigo 8 y las líneas de Tren de Alta Velocidad (TAV)
1.6 Estado actual de cumplimiento de la Normativa sismorresistente
1.7 Comentarios 1.8 Conclusiones

2 Marco sísmico del problema 19
2.1 Información sísmica de la NCSE-94
2.2 Información sísmica disponible
2.3 Riesgo sísmico
2.3.1 Definición
2.3.2 Evaluación
2.4 Conclusiones

3 Líneas de Trenes de Alta Velocidad (TAV) 28
3.1 Introducción
3.2 Riesgo sísmico de las líneas de Alta Velocidad
3.3 Conclusiones
3.4 Un caso real

4 Parámetros geométricos de las líneas de Alta Velocidad 39
4.1 Definiciones
4.2 Condiciones estáticas de estabilidad. Parámetros geométricos
4.2.1 Velocidad mínima
4.2.2 Aceleración transversal
4.2.3 Peralte
4.3 Condiciones dinámicas de estabilidad. Criterios de seguridad
4.4 Resultados
4.5 Conclusiones

5 Análisis de las estructuras 48
5.1 Introducción
5.2 Definición de las estructuras del estudio
5.2.1 Viaductos Isostáticos
5.2.2 Viaductos Hiperestáticos
5.2.3 Otras estructuras
5.2.4 Suelos
5.3 Estudio analítico de las estructuras
5.4 Definición del modelo
5.4.1 Cálculo del Centro de Masas
5.4.2 Cálculo del Momento de Inercia
5.4.3 Cálculo del Momento de Inercia de Superficie
5.4.4 Modelos para el cálculo
5.5 Análisis estático del modelo
5.5.1 Modelo unidimensional
5.5.2 Modelo bidimensional
5.6 Análisis dinámico del modelo
5.6.1 Cálculo del periodo propio
5.6.2 Planteamiento de la mecánica clásica
5.6.3 Planteamiento de la mecánica analítica
5.7 Consideraciones energéticas para la determinación del estado límite de deformación
5.7.1 Deformación inducida por la acción sísmica
5.7.1.1 Cálculo del giro de la estructura
5.7.2 Desplazamiento máximo obtenido del espectro de la NCSE-94
5.8 Espectros de respuesta
5.8.1 Espectro de la NCSE-94
5.8.2 Espectro de diseño a partir de registros acelerográficos cercanos
5.9 Modelización mediante programas de elementos finitos

6 Análisis de los resultados 93
6.1 Introducción
6.2 Tablas de resultados
6.3 Análisis de resultados de los modelos Newtoniano y Analítico
6.3.1 Masa
6.32 Rigidez
6.3.3 Momento de inercia
6.3.4 Periodo propio
6.3.5 Fuerza máxima
6.3.6 Conclusiones
6.4 Análisis de los parámetros de diseño en los cálculos dinámicos
6.4.1 Introducción
6.4.2 Altura de las pilas (Tabla 6-2)
6.4.3 Tipo de suelo (Tabla 6-4)
6.4.4 Carga de las circulaciones (Tabla 6-5)
6.4.5 Aceleración sísmica (Tabla 6.6)
6.5 Comparación de los cálculos analíticos con los de los programas de elementos finitos
6.5.1 Cálculo estático
6.5.2 Cálculo dinámico
6.5.2.1 Modos de vibración
6.6 Otros resultados
6.7 Conclusiones

7 Sistemas de control sísmico 113
7.1 Introducción
7.2 Métodos de control continuo de la ocurrencia de eventos sísmicos
7.2.1 Frente de alarma
7.2.2 Alarma de onda «P»
7.3 Sismómetros de alarma en Ios Ferrocarriles Japoneses
7.3.1 Sistema de detección urgente y de alarma sísmica del ferrocarril japonés
7.3.2 Sistemas auxiliares
7.4 Control sísmico de las líneas de Alta Velocidad

8 Conclusiones 122

Referencias 125

Anexo I Breve análisis de la norma NCSE-94 1

Anexo II Listado de la programación en MAPLE para la resolución del estudio 1

Anexo III Listado y resultados de los programas de elementos finitos WinFElt y PRENDES 1

Por ello se intentará dar las ideas básicas y más importantes que se han expuesto en cada uno de los capítulos.

• Capítulo 1:
La normativa sismorresistente determina la necesidad de realizar estudios de vulnerabilidad de las construcciones anteriores a la publicación de la NCSE-94, si las estructuras afectadas se manifiestan como de especial importancia, en virtud de la posible afectación que pudiera producir en la población. Es obvio que la línea del Ave Madrid-Sevilla cumple dichos requisitos y por tanto habría que realizar Ios mencionados estudios de vulnerabilidad.

• Capítulo 2:
La información sísmica que proporciona la NCSE-94 es insuficiente cuando se pretende hacer un estudio de riesgo o amenaza sísmica y la aplicación de los criterios recogidos en ella no asegura que no se produzcan daños en las construcciones realizadas siguiendo sus prescripciones. Se precisa, por tanto, información adicional, más exhaustiva y principalmente actualizada, con el fin de poder caracterizar de forma adecuada las características de las acciones sísmicas y sus efectos en las estructuras.

• Capítulo 3:
La línea de alta velocidad Madrid-Sevilla atraviesa zonas en las cuales el riesgo sísmico se puede considerar alto. Si bien la probabilidad de ocurrencia de un sismo destructivo es pequeña, las consecuencias derivadas de él pueden ser tan desproporcionadas que parece razonable prever medidas técnicas y/o organizativas que hagan frente a su posible ocurrencia.

• Capítulo 4:
Una vez que se ha analizado la geometría de las líneas de alta velocidad se ve que las acciones sísmicas que pueden poner en situación de inseguridad a los trenes, circulando a 300 km/h, no han de ser excesivamente grandes. Se muestra que, si se produce la coincidencia de una serie de factores, el descarrilamiento de una composición es posible por efecto de la aceleración sísmica definida en la norma.

• Capítulo 5:
Tras analizar las estructuras de la línea de alta velocidad se estudia la respuesta de los viaductos frente a la acción sísmica. Se realizan análisis, tanto estáticos como dinámicos, utilizando métodos analíticos y programas de modelización por elementos finitos. De igual modo se analiza la variación de la respuesta de las estructuras en función de los cambios en los parámetros de diseño, lo cual permite evaluar la mayor o menor influencia de cada uno de ellos en la seguridad de las circulaciones.

• Capítulo 6:
Los resultados obtenidos en el apartado anterior se analizan, comparan y evalúan para determinar la validez de las hipótesis realizadas, así como la precisión de cada uno de los métodos utilizados. El efecto del suelo se manifiesta como el parámetro más crítico de cara a alterar la respuesta de las estructuras, produciendo aumentos de entre 10 y 20 veces la respuesta inicial. De igual modo los fenómenos de amplificación, que aumentan el valor de la aceleración sísmica, determinan variaciones de la respuesta que pueden llegar a ser 10 veces la inicial.

• Capítulo 7:
A la vista del apartado anterior y como consecuencia del cumplimiento de la normativa sismorresistente parece conveniente ahondar en los estudios de vulnerabilidad y amenaza sísmica, estableciendo algún programa de investigación que permita evaluar «in situ» las respuestas calculadas analíticamente. A tal efecto se presenta el modelo adoptado por los Ferrocarriles Japoneses y se propone un modelo simplificado, basado en el anterior, que permita obtener información real del estado de las estructuras. En función de los resultados de estos estudios se plantea la posibilidad de instalar sistemas de control sísmico que se interrelacionen con los sistemas de control de tráfico existentes en la línea del AVE, integrándolos, asimismo, en el futuro sistema europeo de control del tráfico ferroviario.

• Capítulo 8:
Las figuras 8-1 y 8-2 ilustran los estados mínimos y máximos de deformación y desplazamiento del modelo, en función de las hipótesis utilizadas en los cálculos del estudio.