infraestructura y sostenibilidad en transporte

Infraestructura y Sostenibilidad en Transporte

Marcela Morales

Coordinación académica

Carlos Alberto Echeverri

Catalina Córdoba

César Augusto Hidalgo Montoya

Diego Mauricio Murillo

Francisco Rodrigo Caicedo Villegas

Félix Echeverría

Gabriel Pérez Salas

Germán Mauricio Valencia

Javier Borja López

Javier Inarejos Mesa

Javier López Vilanova

John Mario García

Jorge Andrés Calderón

Jose Carlos Mello

Pablo Salvador Zuriaga

Ricardo Insa Franco

Wilson de Jesús Herrón

Zoila Ziulay Yi Yang

La Universidad de Medellín y la Secretaria de Infraestructura Física de la Gobernación de Antioquia presentan el libro Infraestructura y Sostenibilidad en Transporte en el cual expertos nacionales e internacionales exponen avances de sus estudios y hacen propuestas para la gestión, desarrollo y construcción de la infraestructura de transporte.

Así, entonces, el texto se enmarca en los criterios de que la infraestructura y la sostenibilidad ambiental son ejes fundamentales para el desarrollo de los países, y que la satisfacción de las necesidades del presente no puede poner en riesgo las posibilidades de las generaciones del futuro. Por ello, y teniendo en cuenta que ésta es en una época donde el espacio para el desarrollo de nuevas infraestructuras es cada vez más restringido, se hace necesario innovar en procesos constructivos que garanticen la satisfacción y el desarrollo económico, ambiental y social.

ISBN: 978-958-8692-34-0

Infr

aest

ruct

ura

y So

sten

ibili

dad

en T

rans

port

e

Marcela MoralesCoordinación académica

Carlos Alberto Echeverri

Catalina CórdobaCésar Augusto Hidalgo Montoya

Diego Mauricio MurilloFrancisco Rodrigo Caicedo Villegas

Félix Echeverría Gabriel Pérez Salas

Germán Mauricio Valencia Javier Borja López

Javier Inarejos Mesa Javier López Vilanova

John Mario GarcíaJorge Andrés Calderón

Jose Carlos MelloPablo Salvador Zuriaga

Ricardo Insa Franco Wilson de Jesús Herrón


9 789588 692340

INFRAESTRUCTURA Y SOSTENIBILIDAD EN TRANSPORTE

INFRAESTRUCTURA Y SOSTENIBILIDAD EN TRANSPORTE

1a. edición: 2011© Universidad de Medellín© Carlos Alberto Echeverri © Catalina Córdoba© César Augusto Hidalgo Montoya © Diego Mauricio Murillo© Francisco Rodrigo Caicedo Villegas © Félix Echeverría© Gabriel Pérez Salas © Germán Mauricio Valencia© Javier Borja López © Javier Inarejos Mesa© Javier López Vilanova © John Mario García© Jorge Andrés Calderón © Jose Carlos Mello© Marcela Morales © Pablo Salvador Zuriaga© Ricardo Insa Franco © Wilson de Jesús Herrón© Zoila Ziulay Yi Yang

ISBN: 978-958-8692-34-0

Coordinación académica:Marcela Morales

Editor:Leonardo David López EscobarDirección electrónica: [email protected] de Medellín. Medellín, ColombiaCra. 87 No. 30-65. Bloque 20, piso 2.Teléfonos: 340 52 42 - 340 53 35Medellín - Colombia

Distribución y ventas:Universidad de Medellíne-mail: [email protected]. 87 No. 30-65Teléfono: 340 52 42Medellín, Colombia

Corrección de estilo:Lorenza Correa [email protected]

Diagramación:Hernán D. Durango [email protected]

Todos los derechos reservados.

Se prohibe la reproducción total o parcial de esta obra –incluido el diseño tipográfico y de portada–, sea cual fuere el medio, electrónico o mecánico, sin el consentimiento por escrito de la Universidad de Medellín.

Hecho el depósito legal.

▪ 5

Entendiendo que el desarrollo de la infraestructura y la sostenibilidad ambiental son ejes fundamentales para el desarrollo de los países, y frente al reto de lograr satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las del futuro, en una época donde el espacio para el desarrollo de nuevas infraestructuras es cada vez más restringido, y donde se hace necesario innovar en procesos constructivos que garanticen la satisfacción y el desarrollo económico, ambiental y social, la Universidad de Medellín, bajo la coordinación del Programa de la Maestría en Ingeniería Urbana, y la Secretaría de Infraestructura Física de la Gobernación de Antioquia, presentan el libro INFRAESTRUCTURA Y SOSTENIBILIDAD, en el cual expertos nacionales e internacionales proponen avances para la gestión, desarrollo y construcción de la infraestructura de transporte.

El libro se desarrolla en trece capítulos, en los cuales se abordan las siguientes temáticas:

En el capítulo I “Diseño del trazado ferroviario con criterios de eficiencia energética”, se presenta una exposición de cómo mediante el ahorro de energía, los ferrocarriles pueden, por un lado, reducir los costos de operación y aumentar su rentabilidad sin mermar la calidad del servicio ofertado, mientras que por otro, mejoran su ya de por sí condición de medio de transporte sostenible. Se exponen las ideas más importantes a tener en cuenta a la hora de diseñar y planificar un trazado ferroviario en relación con el consumo energético de los trenes. Dependiendo del trayecto, se pueden obtener diferencias de consumo de hasta un 40%.

En el capítulo II, “Los sistemas ferroviarios urbanos. Aplicación al caso del sistema férreo multipropósito (SFM) en el Valle de Aburrá”, se presentan las distintas tipologías de sistemas ferroviarios modernos urbanos, se da una sencilla descripción de los mismos, y se contemplan los parámetros bajo los cuales se evalúa su calidad. Luego se introduce, de manera muy breve, el proyecto de Sistema Férreo Multipropósito que se desea implantar en el Área Metropolitana del Valle de Aburrá y se sugieren los parámetros que

Prólogo

▪ 6

se considera adecuado contemplar en el proyecto, para que el resultado sea disponer de un sistema férreo moderno, capaz de satisfacer la demanda del Valle de Aburrá, tanto a corto plazo como en un horizonte de, al menos, 50 años.

En el capítulo III, “Evaluación y mejora de la seguridad de túneles de carretera existentes”, se expone una parte del estudio desarrollado en el seno del Grupo de Trabajo nº2 (Manage and improve tunnel safety) del Comité Técnico C.4 (Road tunnel operations) de la Asociación Mundial de la Carretera (PIARC) durante el ciclo 2008-2011, y se presenta una metodología general que describe el proceso que podría seguirse a la hora de evaluar y mejorar la seguridad de túneles de carretera en servicio.

Esta metodología sistematiza el proceso de mejora de la seguridad de un túnel de carretera existente, y proporciona una referencia a los responsables de los túneles que aborden esta tarea.

En el capítulo IV, “Perspectivas subterráneas”, se describen las tendencias en la utilización de construcciones subterráneas, y se hace énfasis en túneles de base, soterramiento de los accesos ferroviarios a las ciudades, edificios o ciudades subterráneas, fábricas enterradas, almacenamiento geológico profundo de residuos nucleares y aprovechamiento energético geotérmico de las infraestructuras subterráneas. Luego, se presentan las tendencias en los métodos de excavación y, por último, se plantean propuestas para el desarrollo de la competitividad en Colombia.

En el capítulo V, “Deslizamientos en carreteras: identificación de riesgos y priorización de medidas de intervención”, se propone una metodología que permite estimar cuantitativamente el riesgo por deslizamiento de taludes en carreteras de zonas tropicales montañosas. La amenaza se evalúa usando relaciones estadísticas entre la precipitación y la ocurrencia de eventos de inestabilidad. La vulnerabilidad se estima mediante la utilización de una metodología en la cual se asignan pesos a una serie de atributos relacionados con la exposición de las personas y vehículos, y se obtiene un índice denominado Nivel de Riesgo Estimado-NRE. Se concluye que los valores estimados por el método expedito, usando el índice NRE, producen resultados consistentes que ayudan a definir los sitios donde es indispensable realizar estudios más detallados y sistemas de mitigación.

En el capítulo VI, “Implementación de modelos de predicción de ruido automotor para el rediseño de rutas de transporte público”, se presenta la articulación entre la simulación de ruido automotor y el análisis geoespacial,

▪ 7

con el propósito de generar una propuesta para el rediseño de rutas de transporte público en la ciudad de Medellín.

En el capítulo VII, “Servicios de infraestructura sostenible y baja en carbono”, se analiza la situación actual de las infraestructuras de transporte y se propone un cambio en la distribución modal existente que propicie un transporte más sostenible.

En el capítulo VIII, “La planificación vial subregional de redes terciarias bajo un enfoque territorial y participativo para mejorar los niveles de accesibilidad veredal e integrarse al desarrollo local y regional. Experiencias aplicadas en la región. El caso del Magdalena medio, subregión de Antioquia, Colombia”, se presenta para el proceso de planificación y gestión vial una propuesta metodológica con un enfoque territorial y participativo, en el cual, desde una visión de gestión sostenible, se destaca el concepto de “capacidad organizativa del territorio” según la cual el territorio y la población se consideran protagonistas centrales de la planificación y factores clave que influyen en la competitividad.

En el capítulo IX, “Optimización de recursos en la construcción de puentes rurales basados en estudios previos, la selección de ponteaderos y diseños de estructuras no convencionales”, se presentan diversos aspectos adicionales al cálculo y diseño estructural, que se deben tener en cuenta y que intervienen en la concepción y selección de puentes rurales no convencionales.

En el capítulo X, “Proyecto conexión vial Aburrá Oriente-Túnel de Oriente”, se presenta el proyecto que pretende conectar los valles de Aburrá y San Nicolás en forma directa, rápida y segura, y generar empleo y desarrollo social, político y económico al Departamento de Antioquia, para hacerlo competitivo frente a la globalización del país.

En el capítulo XI “Transporte y sostenibilidad: ¿tendencia o moda?”, se hace una retrospectiva del transporte urbano y rural, se conceptúa frente a la logística de transporte y se hace un análisis de cara a la preocupación ambiental y a la globalización.

En el capítulo XII, “Uso de ceniza volante como adición mineral y reemplazo del cemento Portland en la fabricación del concreto hidráulico”, se presentan avances en la estudio del uso de ceniza volante como adición mineral y reemplazo parcial del cemento Portland en concretos hidráulicos para protección del medioambiente. En este trabajo, producto de una

▪ 8

investigación desarrollada en Medellín-Antioquia, se caracterizaron y diseñaron mezclas de concreto con cemento Portland tipo I, empleando diferentes porcentajes de ceniza (15%, 25% y 40%) como material cementante. Los resultados de la resistencia mecánica muestran que el uso de la ceniza volante otorga incrementos significativos de resistencia a la compresión después de los 28 días.

En el capítulo XIII, “Evaluación de riesgos en túneles de carretera”, se introduce, primero, el proceso de evaluación de riesgos, y luego, se centra en la evaluación de riesgos. Se tratan los factores que influyen en la percepción del riesgo y se hace una breve descripción de las metodologías aplicadas en el ámbito de la seguridad de túneles de carretera.

Marcela Morales LondoñoIngeniera civilCoordinadora académica

▪ 9

Contenido

Prólogo ................................................................................................................5

Capítulo I

Diseño del trazado ferroviario con criterios de eficiencia energética

Ricardo Insa Franco - Pablo Salvador Zuriaga - Javier Inarejos Mesa

Introducción ...................................................................................................... 15

1. Conceptos previos ....................................................................................... 16

2. Consideraciones a tener en cuenta para el diseño de un trazado energéticamente eficiente ........................................................................... 19

Capítulo II

Los sistemas ferroviarios urbanos. Aplicación al caso del sistema férreo multipropósito (SFM) en el Valle de Aburrá

Ricardo Insa Franco - Pablo Salvador Zuriaga - Javier Inarejos Mesa

1. Introducción ................................................................................................29

2. Los servicios ferroviarios ............................................................................36

3. Conclusiones y recomendaciones.................................................................43

Capítulo III

Evaluación y mejora de la seguridad de túneles de carretera existentes

Javier Borja López

1. Introducción ................................................................................................ 47

2. ¿Por qué mejorar los túneles? .....................................................................49

3. Planteamiento propuesto ............................................................................50

4. Establecimiento del marco normativo de aplicación (paso-1) ...................... 51

5. Investigación de la situación actual del túnel (paso-2) ................................54

6. Evaluación del nivel actual de seguridad del túnel (paso-3) .......................54

▪ 10

7. Definición de un programa de mejora de la seguridad del túnel (paso-4) ...56

8. Evaluación del nivel de seguridad futura del túnel (paso-5) .........................59

9. Conclusiones .................................................................................................60

Capítulo IV

Perspectivas subterráneas

Javier López Vilanova

Introducción ......................................................................................................63

1. Tendencias en la utilización de construcciones subterráneas ......................64

2. Túneles de base ..........................................................................................64

3. Soterramiento de los accesos ferroviarios a las ciudades ............................66

4. Edificios subterráneos .................................................................................68

5. Fábricas enterradas .....................................................................................68

6. Almacenamiento geológico profundo (AGP) de residuos nucleares .............70

7. Aprovechamiento energético geotérmico de las infraestructuras subterráneas ...............................................................................................70

8. Tendencias en métodos de excavación ........................................................71

9. Investigación ...............................................................................................72

10. Medidas complementarias ...........................................................................73

11. Tecnología de tuneladoras ........................................................................... 74

12. Perforación y voladuras ...............................................................................76

13. Propuesta para el desarrollo de la competitividad en Colombia ..................78

Capítulo V

Deslizamientos en carreteras: identificación de riesgos y priorización de medidas de intervención

César Augusto Hidalgo Montoya

Introducción ...................................................................................................... 81

1. Metodología ................................................................................................82

2. Calcular la probabilidad condicional de falla de un talud dado que el umbral de falla es excedido .............................................................82

3. Calcular la probabilidad temporal de falla (PT) como es recomendado por Jaiswal y Van Westen (2009) ................................................................83

4. Aplicación ................................................................................................... 91

5. Conclusiones ...............................................................................................97

▪ 11

Capítulo VI

Implementación de modelos de predicción de ruido automotor para el rediseño de rutas de transporte público

Diego Mauricio Murillo - Carlos Alberto Echeverri Germán Mauricio Valencia

1. Introducción .............................................................................................. 101

2. Desarrollo ................................................................................................ 102

3. Resultados y discusión .............................................................................. 109

4. Conclusiones y recomendaciones............................................................... 113

Capítulo VII

Infraestructura de transporte sostenible

Gabriel Pérez Salas

Introducción .................................................................................................... 115

1. Inversión en infraestructura en América Latina ....................................... 116

2. La necesidad de más y mejor infraestructura ........................................... 117

3. Infraestructura y servicios de transporte sostenibles ............................... 119

4. Criterios de sostenibilidad en la operación del transporte: Hacia servicios de transporte bajos en carbono ........................................120

5. Diseño de nueva infraestructura sostenible y baja en carbono .................122

6. Recomendaciones ...................................................................................... 124

Capítulo VIII

La planificación vial subregional de redes terciarias bajo un enfoque territorial y participativo para mejorar los niveles de accesibilidad veredal e integrarse al desarrollo local y regional. Experiencias aplicadas en la región. El caso de Magdalena Medio,

Subregión de Antioquia, Colombia


Introducción .................................................................................................... 127

1. Marco conceptual para la planificación vial vecinal a partir de los principios del enfoque territorial y participativo .............................128

2. Consideraciones estratégicas para el proceso de planificación vial vecinal ............................................................................................... 132

▪ 12

3. Aplicación del sistema, variables e indicadores propuestos ...................... 140

4. Conclusiones ............................................................................................. 143

Anexos ............................................................................................................ 146

Capítulo IX

Optimización de recursos en la construcción de puentes rurales basados en estudios previos, la selección de ponteaderos y diseños

de estructuras no convencionales

Wilson de Jesús Herrón

Introducción .................................................................................................... 157

1. Preliminares ............................................................................................. 158

2. Dichos populares aplicables a los proyectos de puentes ............................ 169

3. Conclusiones ............................................................................................. 169

4. Recomendaciones ...................................................................................... 170

Anexo. Registro fotográfico ............................................................................. 171

Capítulo X

Proyecto conexión vial Aburrá-Oriente Túnel de Oriente

Francisco Rodrigo Caicedo Villegas

Introducción .................................................................................................... 187

1. Objetivo .................................................................................................... 187

2. Localización .............................................................................................. 187

3. Historia y justificación .............................................................................. 189

4. Contrato de construcción .......................................................................... 192

5. Estudios y diseños .................................................................................... 193

6. Diseños de construcción definitivos .......................................................... 194

7. Presupuesto y financiación ....................................................................... 197

8. Construcción del proyecto .........................................................................201

9. Beneficios ................................................................................................. 201

10. Conclusiones ..............................................................................................205

11. Recomendación ..........................................................................................205

▪ 13

Capítulo XI

Transporte y sostentabilidad: ¿tendencia o moda?José Carlos Mello

1. Transportes urbanos .................................................................................209

2. Transportes en áreas rurales ....................................................................209

3. Transporte intermodal .............................................................................. 210

4. Logística ................................................................................................... 211

5. Transportes y naturaleza .......................................................................... 212

6. Globalización ............................................................................................ 212

7. ¿Tendencia o moda? .................................................................................. 213

Capítulo XII

Uso de ceniza volante como adición mineral y reemplazo del cemento Portland en la fabricación del concreto hidráulico

Marcela Morales - John Mario García - Jorge Andrés Calderón Félix Echeverría - Catalina Córdoba

Introducción .................................................................................................... 215

1. Metodología experimental ........................................................................ 218

2. Resultados y discusión ..............................................................................224

3. Conclusiones ............................................................................................. 227

Agradecimientos ............................................................................................. 227

Referencias bibliográficas ............................................................................... 227

Capítulo XIII

Evaluación de riesgos en túneles de carreteraJavier Borja López

Introducción ....................................................................................................229

1. El proceso de evaluación de riesgos para túneles de carretera .................230

2. Antecedentes de la evaluación de riesgos .................................................232

3. Métodologías de evaluación de riesgos .....................................................234

4. Métodos de evaluación de riesgo cualitativos ...........................................234

5. Evaluación cuantitativa del riesgo social ...................................................235

6. Evaluación cuantitativa del riesgo individual ............................................242

7. Conclusiones .............................................................................................243

Agradecimientos .............................................................................................244

▪ 15

Capítulo I

Diseño del trazado ferroviario con criterios de eficiencia energética

Ricardo Insa Franco*

Pablo Salvador Zuriaga** Javier Inarejos Mesa***

INTRODUCCIÓN

El diseño energéticamente eficiente de un trazado ferroviario consiste, bá-sicamente, en considerar una serie de factores relacionados con el consumo energético de los trenes y la posibilidad de reducir dicho consumo, en el

* Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos por la Universidad Politécnica de Valencia (España). Profesor de Ferrocarriles en la Universidad Politécnica de Valencia y asesor en temas ferroviarios y tranviarios. Dirección electrónica: [email protected]; [email protected]

** Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos (septiembre de 2008). Realizó su Proyecto Final de Carrera en la Vienna University of Technology cuyo título era “Potential energy-saving stra-tegies for railway operation”, dirigido por el Dr. Ing. Bernhard Rüger y el Univ. Prof. Norbert Östermann. En 2009 realizó el Máster en Ferrocarriles y Transporte Ferroviario impartido en la UPV y desde ese mismo año trabaja como investigador en el Departamento de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes de la misma universidad en temas de ahorro de energía y dinámica vertical de vía. Dirección electrónica: [email protected]

*** Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos (diciembre de 2009). Realizó su Proyecto Final de Carrera en el Departamento de Ingeniería e infraestructura de los Transportes de esta misma universidad, cuyo título era “Análisis estructural de diferentes sistemas de vía ferroviaria mediante la utilización del método de los elementos finitos. Aplicación a tres sistemas de vía representativos localizados en los tramos experimentales construidos en el T. M. de Benicásim (Castellón)”. Desde octubre de 2008 trabaja en este mismo departamento en temas de modeli-zación de la infraestructura ferroviaria, destacando su labor en el proyecto “ASIENTO: Análisis estructural de secciones de vía ferroviaria con métodos numéricos”, y ha hecho publicaciones de este mismo proyecto en medios españoles como la revista “Estudios de construcción y transporte” del Ministerio de Fomento del Gobierno de España. Actualmente compagina estos trabajos con sus estudios de doctorado, dirigidos por el Dr. Ing. Ricardo Insa Franco. Dirección electrónica: [email protected]

RICaRdo Insa FRanCo - pablo salVadoR ZuRIaga - JaVIeR InaReJos Mesa

▪ 16

desarrollo integral del proyecto. Esta actuación debe complementar a los diversos condicionantes de diseño, entre los que suelen encontrarse habi-tualmente los de seguridad, economía de su construcción y de su explotación, capacidad, etc. Un buen operador ferroviario debe ser capaz de minimizar los costes totales del sistema ferroviario que gestiona, lo cual, a menudo, se encuentra en contraposición con la minimización de costes de construc-ción de las líneas, por un lado, y la minimización de costes de operación, por otro.

En este sentido, la importancia de incorporar criterios de eficiencia energética en el diseño de nuevos trazados radica en conseguir una optimi-zación de los recursos, incrementando, si fuere necesario, el coste de la fase de construcción en aras a una futura reducción de los costes de operación que, en su globalidad, conduzcan a una disminución de los costes totales. Además, como estrategia que se aplica en fase de diseño, puede suponer un gran potencial de ahorro, tal y como demuestran algunas cifras que se comentarán más adelante.

Junto a la cuestión económica de reducción de costes, también se en-cuentra la de la mejora medioambiental, ya que la disminución del consumo energético está íntimamente ligada a la disminución de emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente si la principal fuente de propulsión de los trenes es el diésel.

En el presente artículo se pretende, en primer lugar, introducir unos conceptos básicos referentes al consumo de energía de los trenes y a las técnicas de conducción económica, puesto que actúan como condicionantes del diseño energéticamente eficiente del trazado. Posteriormente, se van a comentar algunas de las ideas clave y consideraciones más importantes que deben tenerse en cuenta para conseguir un consumo mínimo en la circulación de los trenes.

1. CONCEPTOS PREVIOS

Antes de comenzar con las diferentes formas de ahorrar energía se identifi-carán cuáles son los consumos de energía más importantes en un tren. En primer lugar, el mayor consumo se produce durante el arranque, la aceleración y el remonte de rampas. De hecho, la potencia con la que se diseña una lo-comotora depende fundamentalmente de la aceleración requerida durante el arranque y de la aceleración residual que debe proporcionar al acometer una rampa prolongada de una determinada inclinación (por ejemplo, 20 mm/m).

dIseño del tRaZado FeRRoVIaRIo Con CRIteRIos de eFICIenCIa eneRgétICa

▪ 17

En este caso, la energía consumida no se pierde, sino que se transforma en energía cinética y en energía potencial, respectivamente.

En efecto, cuando un tren acelera, la energía consumida queda “almace-nada” en dicho tren en forma de velocidad; la variación de energía resultante está expresada mediante la siguiente ecuación:

∆ = −E m v vc f i12

2 2( ) (1)

donde ∆Ec es la variación de energía cinética, m es la masa del tren y v

i y

vf son las velocidades inicial y final, respectivamente. Del mismo modo, cuando

un tren asciende por una rampa, la energía consumida queda “almacenada” en forma de energía potencial, lo que queda reflejado en la siguiente ecuación:

∆ = ⋅ ⋅ ⋅E m g i Lp (2)

donde ∆Ep es la variación de energía potencial, m es la masa del tren, e

i y L son la inclinación y la longitud de la rampa, respectivamente.

Adicionalmente a estos consumos, se da otra serie de consumos que responden realmente a pérdidas de energía. Entre estos consumos se en-cuentran, en primer lugar, las resistencias mecánicas, que pueden suponer un consumo del 7% del total del consumo en llantas y que normalmente son independientes de la velocidad del tren. En segundo lugar, la resistencia aerodinámica, que puede representar un consumo del 35% y que depende del cuadrado de la velocidad. Por último, se encuentran las pérdidas de energía disipada en el freno, que pueden situarse en un 43% del total del consumo en llantas y son la resultante de la necesidad de no sobrepasar la velocidad máxima en las pendientes y de reducir la velocidad para cumplir con las diferentes limitaciones de velocidad y paradas. En todos estos casos, la energía se pierde en forma de ruido y calor, y no es posible su reaprovechamiento.

Por último, cabe citar el consumo de los equipos auxiliares de los trenes (iluminación, ventilación, calefacción, etc.) que puede significar un consumo del 15%. Estos consumos están referidos a un tren de viajeros de 318 plazas que circula a una velocidad media de 150 km/h. Los diferentes porcentajes pueden variar en función del número de paradas, la velocidad máxima y media, y la homogeneidad del trazado, tanto en planta como en alzado.

Del mismo modo que el trazado influye en el consumo de energía, también puede favorecer o dificultar el empleo de técnicas de conducción económicas.


▪ 18

Al respecto, hay que decir que ésta es una de las estrategias más importantes y que han sido más investigadas, ya que el consumo de energía depende en gran medida del personal ferroviario y, en particular, de los maquinistas. Se ha podido observar que en algunos casos, dependiendo del maquinista, la diferencia en el consumo energético ha llegado a ser del 20% para el mismo tren y el mismo trayecto, lo que muestra las grandes posibilidades existentes de aumentar la eficiencia energética.

En la conducción de los trenes existen tres estrategias básicas para ahorrar energía: reducir la velocidad máxima, reducir el ratio de aceleración y circular en deriva, es decir, dejar que el tren circule por inercia. Estas tres estrategias básicas se pueden combinar dando lugar a estrategias más elaboradas. Aparte de estas estrategias, hay otras más que los maquinistas pueden utilizar, que son:

− Reducirelnúmerodeparadas,frenadosyaceleraciones.Estasaccionesconsumen grandes cantidades de energía y, por lo tanto, deben evitarse tanto como sea posible, intentando ejecutar una conducción más suave. Por ejemplo, si un maquinista conoce la posición exacta de un límite de velocidad, puede utilizar cualquiera de las estrategias básicas para alcanzar el límite de velocidad con la velocidad indicada, como por ejemplo circular en deriva desde mucho antes de llegar al límite de velocidad en vez de circular a velocidad constante y frenar en el último instante posible.

− Usar el freno por recuperación tanto como sea posible. Si se utiliza este tipo de freno, la energía cinética del tren se transforma en electricidad y se devuelve a la catenaria, de forma que otro tren puede utilizarla. Actualmente, la mayoría de los nuevos trenes eléctricos permiten este tipo de frenado.

− Cortar el suministro eléctrico a los motores justo antes de coronar una colina. Haciendo esto y dejando circular en deriva el tren colina abajo se pueden ahorrar importantes cantidades de energía, ya que se evitan traccionamientos o frenados innecesarios.

Por supuesto, muchas de estas estrategias aumentan el tiempo de viaje, aunque no tienen por qué traducirse en un retraso del tren. Aprovechando las holguras existentes en los horarios, se pueden realizar estas estrategias manteniendo el tren puntual, siempre y cuando no ocurran retrasos inespe-rados. Por eso, las holguras en los horarios son esenciales, porque permiten


▪ 19

a los trenes seguir siendo puntuales pese a posibles imprevistos. Dichas holguras permiten a los maquinistas conducir con menor presión y, lo que es más importante en este caso, permiten realizar conducción económica.

2. CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA PARA EL DISEÑO DE UN TRAZADO ENERGÉTICAMENTE EFICIENTE

Una vez introducidos algunos conceptos básicos referentes a los diferentes consumos energéticos que tienen durante la marcha de un tren y a la posi-bilidad de ahorrar energía mediante la aplicación de técnicas de conducción económica, a continuación se citan algunos aspectos que conviene tener presentes a la hora de planificar y diseñar el trazado de una línea ferroviaria con objeto de conseguir una mayor eficiencia energética que, como se ha mencionado anteriormente, se traduce en un ahorro de costes durante la fase de operación.

2.1. Pendiente de equilibrio

Se define la pendiente de equilibrio como aquella que iguala las fuerzas gravi-tatorias a las fuerzas de rozamiento, de forma que la aceleración resultante del tren es nula. Matemáticamente, quedaría expresado de la siguiente manera:

m g p m g a b v c T ve f⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅( ) =2 0 (3)

de donde se deduce que

p a b v c T ve f= + ⋅ + ⋅ ⋅ 2 (4)

donde pe es la pendiente de equilibrio, a, b y c son los coeficientes espe-

cíficos de la resistencia al avance, v es la velocidad y Tf es el factor de túnel,

que recoge el incremento de resistencia aerodinámica de un tren al circular por el interior de un túnel.

En términos energéticos, se puede decir que la energía almacenada en forma de energía potencial se consume estrictamente en contrarrestar la resistencia al avance. Así, dado un trazado con una cierta pendiente p por la que circula un tren cuyas características se relacionan con una determinada pendiente de equilibrio p

e se tiene que:

– si p < pe, el tren deberá traccionar para conseguir la velocidad de marcha

asignada.


▪ 20

– si p > pe, el tren deberá frenar para no sobrepasar la velocidad de marcha

asignada.

En ambos casos, la diferencia de energía viene dada por la ecuación:

∆ = ⋅ ⋅ −E m g L p pe( ) (5)

y resultan valores positivos si se debe aportar energía (traccionar) y va-lores negativos si se debe disipar energía (frenar). En la figura 1 se muestran los valores de pendientes de equilibrio para diferentes tipos de trenes, según la velocidad de circulación por la pendiente:

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 100 200 300 400

Pend

ient

e de

equ

ilibr

io (

mm

/m)

Velocidad (km/h)

Tren de mercancías

Tren convencional deviajeros

Tren de alta velocidad

Figura 1. Valor de las pendientes de equilibrio para diferentes tipos de trenes según su velocidad.

Fuente: elaboración propia.

De la figura anterior se desprende lo siguiente: en primer lugar, se ob-serva que los trenes de viajeros, y en especial los de alta velocidad, poseen pendientes de equilibrio menores que los trenes de mercancías, es decir, que para mantener una cierta velocidad, necesitan menor pendiente. Eso es así debido a las mejores características constructivas y aerodinámicas que presentan los trenes de viajeros. Otra conclusión muy interesante es que, dado un tramo con una pendiente mayor que la pendiente de equilibrio, si se aumenta la velocidad de circulación por dicho tramo, la pendiente de equilibrio aumentaría, por lo que los trenes deberían disipar menos energía en el frenado. En efecto, se da la situación paradójica de que un aumento de la velocidad lleva aparejada una disminución del consumo energético, lo cual se percibió en el caso de la línea de alta velocidad entre Madrid y Barcelona,


▪ 21

con pendientes máximas de 25 milésimas, cuando se aumentó el límite de velocidad de 280 a 300 km/h entre Madrid y Tarragona. En este caso, la reducción del tiempo de viaje comportó una reducción del consumo del 3%. Algo similar ocurrió en la línea del TGV París-Lyon, donde existen pendientes de 35 milésimas, cuando se elevó la velocidad de 260 a 270 km/h.

Por lo tanto, resulta muy conveniente diseñar las líneas con una pendiente muy similar a la pendiente de equilibrio, de forma que el tren circule en deriva, tal y como ocurre, por ejemplo, en el tramo La Encina-Játiva de la línea Albacete-Valencia, en el cual, los automotores de la serie 592 podían circular a 140 km/h sin necesidad de traccionar ni aplicar el freno. El concepto de pendiente de equilibrio es de vital importancia en aquellos sistemas en los que no es posible recuperar la energía del frenado, como es el caso de la tracción diésel y la tracción eléctrica hasta hace no muchos años.

2.2. Ubicación de estaciones en puntos altos del trazado

En sistemas ferroviarios que cuentan con estaciones en las que la mayoría de trenes que circulan efectúan parada, como es el caso de los metros y muchos ferrocarriles suburbanos, es una práctica ventajosa, desde el punto de vista del consumo energético, el situar las estaciones en cotas más elevadas que el resto del tramo entre estaciones. El efecto que se consigue mediante la implantación de esta estrategia es doble. Por un lado, durante la aproximación a la estación se evita disipar la totalidad de la energía cinética del tren en los frenos, transformando parte de la energía cinética en energía potencial, que queda “almacenada” de este modo. Por otro lado, durante el arranque y aceleración, la pendiente favorable reduce el esfuerzo de tracción necesario, ya que la energía que estaba almacenada en forma de energía potencial se transforma de nuevo en energía cinética. De este modo, las puntas de demanda de electricidad en la catenaria se reducen, y así se consigue un funcionamiento más homogéneo del subsistema de alimentación.

La tabla 1 muestra las diferentes longitudes de las rampas de acceso a la estación en función de la velocidad de circulación en plena vía y la velocidad de entrada a la estación, suponiendo una rampa de 30 milésimas. Los mismos resultados se muestran en la tabla 2 para una rampa de 40 milésimas. En el primer caso se obtendría una desaceleración 0,29 m/s2, mientras que en el segundo se obtendría una desaceleración de 0,39 m/s2.

Se observa cómo en el segundo caso, las longitudes de las rampas son menores debido a la mayor inclinación de la rampa. En la práctica, estos


▪ 22

Tabla 1. Longitud de la rampa de acceso a la estación en función de la velocidad de aproximación y la velocidad de entrada a la estación.

Rampa de 30 milésimas.

Vel

ocid

ad d

e en

trad

a a

la e

stac

ión

(km

/h)

0 118 161 210 265 328 397 472 554 642 737 839 947 1062

5 115 157 206 262 324 393 469 551 639 734 836 944 1059

10 105 147 197 252 315 383 459 541 629 724 826 934 1049

15 88 131 180 236 298 367 442 524 613 708 809 918 1032

20 66 108 157 213 275 344 419 501 590 685 787 895 1009

25 36 79 128 184 246 315 390 472 560 655 757 865 980

30 0 43 92 147 210 279 354 436 524 619 721 829 944

35 0 49 105 167 236 311 393 482 577 678 787 901

40 0 56 118 187 262 344 433 528 629 737 852

45 0 62 131 206 288 377 472 574 682 796

50 0 69 144 226 315 410 511 619 734

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Velocidad de aproximación a la estación (km/h).Fuente: elaboración propia.

Tabla 2. Longitud de la rampa de acceso a la estación en función de la velocidad de aproximación y la velocidad de entrada a la estación.

Rampa de 40 milésimas.

Vel

ocid

ad d

e en

trad

a a

la e

stac

ión

(km

/h) 0 2,41 3,28 4,29 5,43 6,70 8,10 9,65 11,32 13,13 15,07 17,15 19,36 21,70

5 2,34 3,22 4,22 5,36 6,63 8,04 9,58 11,25 13,06 15,00 17,08 19,29 21,63

10 2,14 3,01 4,02 5,16 6,43 7,84 9,38 11,05 12,86 14,80 16,88 19,09 21,43

15 1,81 2,68 3,68 4,82 6,10 7,50 9,04 10,72 12,53 14,47 16,54 18,75 21,10

20 1,34 2,21 3,22 4,35 5,63 7,03 8,57 10,25 12,06 14,00 16,08 18,29 20,63

25 0,74 1,61 2,61 3,75 5,02 6,43 7,97 9,65 11,45 13,40 15,47 17,68 20,03

30 0,00 0,87 1,88 3,01 4,29 5,69 7,23 8,91 10,72 12,66 14,74 16,95 19,29

35 0,00 1,00 2,14 3,42 4,82 6,36 8,04 9,85 11,79 13,86 16,08 18,42

40 0,00 1,14 2,41 3,82 5,36 7,03 8,84 10,78 12,86 15,07 17,41

45 0,00 1,27 2,68 4,22 5,89 7,70 9,65 11,72 13,93 16,28

50 0,00 1,41 2,95 4,62 6,43 8,37 10,45 12,66 15,00

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Velocidad de aproximación a la estación (km/h). Fuente: elaboración propia.


▪ 23

valores teóricos deben contrastarse con las desaceleraciones medias em-pleadas habitualmente en la operación ferroviaria. Por ejemplo, puede no ser admisible desde el punto de vista del cumplimiento de los tiempos de viaje el pasar de 80 a 0 km/h con una aceleración constante de 0,3 m/s2, ya que el tiempo empleado para frenar puede ser excesivo, por lo que lo ideal puede ser llegar a una solución de compromiso entre el ahorro conseguido y las características del servicio ofertado.

En términos de ahorro de energía, la tabla 3 muestra la cantidad de energía que un tren de unas 200 toneladas evita disipar en el frenado, me-dida en kilovatios-hora. Para hacernos una idea del ahorro que supone esta medida, la tabla 4 expresa el ahorro energético que se produciría en una estación como las del Metro de Medellín, por la que circulasen unas 31.600 toneladas por día y sentido de circulación, que equivaldría a unos 200 trenes al día, en términos de consumo medio de un hogar. Para ello, se ha tomado como referencia el consumo medio de electricidad de un hogar de Medellín, estimado en 111 kWh al mes. En ambos casos se ha supuesto unaeficiencia del conjunto tren-catenaria de 0,8.

De la tabla 3 se desprende, por ejemplo, que un tren de 200 t que circulase a 60 km/h y se detuviese por completo haciendo uso únicamente de las diferencias de cota, evitaría disipar en los frenos unos 9,65 kWh, lo

Tabla 3. Energía que se evita disipar en el freno para un tren de 200 toneladas, en kWh.

Vel

ocid

ad d

e en

trad

a a

la e

stac

ión

(km

/h)

0 2,41 3,28 4,29 5,43 6,70 8,10 9,65 11,32 13,13 15,07 17,15 19,36 21,70

5 2,34 3,22 4,22 5,36 6,63 8,04 9,58 11,25 13,06 15,00 17,08 19,29 21,63

10 2,14 3,01 4,02 5,16 6,43 7,84 9,38 11,05 12,86 14,80 16,88 19,09 21,43

15 1,81 2,68 3,68 4,82 6,10 7,50 9,04 10,72 12,53 14,47 16,54 18,75 21,10

20 1,34 2,21 3,22 4,35 5,63 7,03 8,57 10,25 12,06 14,00 16,08 18,29 20,63

25 0,74 1,61 2,61 3,75 5,02 6,43 7,97 9,65 11,45 13,40 15,47 17,68 20,03

30 0,00 0,87 1,88 3,01 4,29 5,69 7,23 8,91 10,72 12,66 14,74 16,95 19,29

35 0,00 1,00 2,14 3,42 4,82 6,36 8,04 9,85 11,79 13,86 16,08 18,42

40 0,00 1,14 2,41 3,82 5,36 7,03 8,84 10,78 12,86 15,07 17,41

45 0,00 1,27 2,68 4,22 5,89 7,70 9,65 11,72 13,93 16,28

50 0,00 1,41 2,95 4,62 6,43 8,37 10,45 12,66 15,00

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Velocidad de aproximación a la estación (km/h).

Fuente: elaboración propia.


▪ 24

que traducido a una explotación como la del Metro de Medellín, con trenes de tres coches circulando cada 6-7 minutos en horas valle, y trenes de seis coches circulando cada 4 minutos en horas punta, supondría un consumo equivalente al de unos 824 hogares de la misma ciudad, tal y como indica la tabla 4.

Tabla 4. Número de hogares con consumo de energía equivalente a la circulación de 200 trenes diarios por sentido en una explotación

de características similares a las del Metro de Medellín.

Vel

ocid

ad d

e en

trad

a a

la e

stac

ión

(km

/h)

0 206 280 366 464 572 693 824 967 1122 1288 1465 1654 1854

5 200 275 361 458 567 687 818 961 1116 1282 1459 1648 1849

10 183 258 343 441 549 670 801 944 1099 1265 1442 1631 1831

15 155 229 315 412 521 641 773 916 1070 1236 1414 1602 1803

20 114 189 275 372 481 601 733 876 1030 1196 1374 1562 1763

25 63 137 223 320 429 549 681 824 979 1145 1322 1511 1711

30 0 74 160 258 366 486 618 761 916 1082 1259 1448 1648

35 0 86 183 292 412 544 687 841 1007 1185 1374 1574

40 0 97 206 326 458 601 755 921 1099 1288 1488

45 0 109 229 361 504 658 824 1002 1190 1391

50 0 120 252 395 549 715 893 1082 1282

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Velocidad de aproximación a la estación (km/h).Fuente: elaboración propia.

2.3. Homogeneidad del perfil de velocidades de la línea

En los puntos 3.1 y 3.2 ya ha quedado patente la influencia que tiene la variación de la velocidad en el consumo de energía. Por ello, a la hora de diseñar una línea ferroviaria, se debe procurar que los sucesivos tramos tengan velocidades de circulación similares. Del mismo modo, debe evitarse en la medida de lo posible colocar curvas de radio reducido en tramos de elevada velocidad de circulación, ya que obligarán a frenar y acelerar de nuevo. No en vano, una de las causas por las que los trenes de alta velocidad consumen en muchos casos menos energía que los trenes convencionales es debida a la diferencia del trazado, puesto que en el primer caso el perfil de velocidades es mucho más homogéneo que en el segundo, con lo que la energía disipada en el freno por los trenes de alta velocidad es menor que en los trenes convencionales.


▪ 25

Otra cuestión a tener en cuenta es la combinación de rampas y curvas. Dependiendo de la inclinación de las rampas, la velocidad máxima puede estar limitada bien por las características del trazado y de la calidad de la superestructura o bien por las características de potencia del material móvil. En la práctica, para rampas menores de 17 milésimas suelen ser más res-trictivas las características de la superestructura, mientras que para rampas mayores de ese valor lo suele ser el de la potencia de los trenes. Esto tiene dos repercusiones ciertamente importantes a la hora de decidir los parámetros de diseño de un nuevo trazado o de la mejora de uno existente ya que, por una parte, en tramos con pendientes suaves no se podría alcanzar la velocidad máxima del tramo si se coloca alguna curva de radio más reducido, mientras que, por otra, una mejora del trazado con rectificación de curvas sería inútil si la velocidad máxima de paso por la curva no puede ser alcanzada por los trenes debido a su potencia limitada.

Por último, otra cuestión relacionada con el mantenimiento de la infraestructura y que repercute en el consumo de energía es la de las pre-cauciones. En las líneas ferroviarias, cuando existe alguna anomalía, bien en la vía (ripado, blandones, falta de compactación del balasto, etc.) bien en la infraestructura (riesgo de desprendimiento, asentamiento de terraplenes, etc.) se coloca un conjunto de señales con carácter provisional que ordenan circular a una velocidad inferior a la inicialmente establecida hasta que el problema quede subsanado. Como ejemplo, en la figura 2 se observa una

Figura 2. Precaución a 30 km/h a causa de un aterramiento de las vías.Fuente: elaboración propia.


▪ 26

precaución a 30 km/h provocada por un mal drenaje transversal de la vía, que obliga a pasar a velocidad reducida (la velocidad del tramo es de 90 km/h) a fin de advertir un posible aterramiento de las vías, especialmente tras fuertes lluvias.

El efecto que estas precauciones tienen en el consumo de energía es doble. Por una parte, supone tener que reducir sustancialmente la velocidad, lo que implica un consumo de energía adicional, que no habría sido necesario de no existir la precaución.

Sin embargo, el mayor efecto de las precauciones se produce en la marcha del tren, es decir, en el horario que tienen asignado y que deben cumplir. Las marchas de los trenes se diseñan de acuerdo con las características de la vía en condiciones de explotación normales, añadiéndoles posteriormente unos márgenes de recuperación a fin de tener en cuenta los aumentos que se producen en el tiempo de viaje a causa de las precauciones u otros imprevistos. En condiciones normales, estos márgenes quedan libres y permiten a los maquinistas emplear las diferentes técnicas de conducción económica que se han explicado en el apartado 2, pero en caso de que existan, obligan a los maquinistas a circular a la velocidad máxima a fin de recuperar el tiempo perdido, lo que repercute negativamente en el consumo de energía.

Como ejemplo anecdótico, cabe citar una precaución a 120 km/h que existió en la línea de alta velocidad Madrid-Sevilla durante tres meses en 1996 en una rampa de 12,5 milésimas y que suponía una pérdida de 2,5 minutos. Dicha precaución provocó durante esos meses un aumento del consumo energético del 3% en toda la línea, no tanto por la energía perdida en el frenado a fin de cumplir con la precaución, sino por la imposibilidad de realizar conducción económica.

Otro ejemplo que cabría citar es el de un tren de mercancías de 1.000 toneladas con tracción diésel circulando a 80 km/h y que debe cumplimentar una precaución a 30 km/h. Según la Eq. (1), la variación de energía cinética que es necesario disipar y volver a introducir es de 59 kWh. Esto implicaría un consumo de gasóleo extra de unos 17 litros, lo que originaría un coste aproximado de 35$. Dependiendo del tráfico de mercancías y del número de precauciones existentes en la línea, los costes de combustible se pueden incrementar de manera muy notoria. Con esto se concluye que la existencia de una precaución supone un coste adicional en la explotación, por lo que es conveniente solventar el problema que la ha provocado con la mayor celeridad posible, dentro de un adecuado programa de mantenimiento de la infraestructura.

infraestructura y sostenibilidad en transporte

Documents