ANÁLISIS NUMÉRICO DE DIFRERENTES ALTERNATIVAS DE …

Trabajo realizado por:

Eric Criado Alonso

Dirigido por:

Iván Puig Damians

Grado en:

Ingeniería de Obras Públicas

Barcelona, 29/09/2020

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

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AJO

FIN

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DE

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AD

O

Análisis numérico de diferentes

alternativas de estribos para el

paso de líneas férreas

ANÁLISIS NUMÉRICO DE DIFRERENTES ALTERNATIVAS DE ESTRIBOS PARA EL PASO DE LÍNEAS FÉRREAS

RESUMEN

Los estribos de puente son estructuras que tienen la finalidad de servir como elemento

de transición entre el terreno y el tablero o estructuras del paso elevado, así como de

contener y dar estabilidad a las tierras. Es un elemento resistente y de apoyo que,

además, protege a las tierras de posibles erosiones y arrastres de tipo fluvial y pluvial.

Existe actualmente una gran variedad de tipos de estribo. Este trabajo plantea una

comparativa mecánica/funcional de tres diferentes tipos de estribo para vías férreas,

siendo las tres alternativas constructivas análogas para resolver un mismo caso y

condiciones de contorno (altura del paso elevado y distancia entre estribos fijas,

básicamente). Se analiza la comparación funcional entre un muro pantalla, un muro L y

un muro de suelo reforzado. Se realiza también una comparación cambiando las

propiedades del suelo (módulo elástico, ángulo de rozamiento y cohesión) y así,

además, demostrando la importancia de la calidad del suelo en el comportamiento

tenso-deformacional de este tipo de estructuras.

Dicha comparación se realiza mediante un análisis numérico, comprobando qué estribo

es el más adecuado, en términos mecánicos, para una pasarela bajo una línea férrea, y

resultando como la más adecuada la alternativa mediante muro en L.


ABSTRACT

Bridge abutments are structures that have the purpose of serving as a transition element

between the terrain and the bridge deck, as well as to contain and stabilize the land. It is

a resistant and supportive element that, in addition, protects the land from possible

erosion and dragging from fluvial and pluvial issues.

Currently, there are a great variety of bridge abutments. This work proposes a

mechanical/functional comparison of three different types of abutments for railway, the

three constructive alternatives being analogous to solve the same case and boundary

conditions (height of the overpass and distance between fixed abutments, basically). The

functional comparison between a slurry wall, a cantilever L-shape wall and with

reinforced soil are analyzed. A comparison is algo made by changing the properties of

the soils (elastic modulus, friction angle and cohesion) and this, in addition,

demonstrating the importance of soil quality in the stress-strain behavior of this type of

structures.

As a result of the number of analysis performed and case studies considered, it was

possible to conclude that, under a mechanical point of view, the L-shape wall is the most

suitable in a bridge abutment for railroad applications.


AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, me gustaría agradecer a mí tutor, Iván Puig Damians, por haberme

ayudado en el trabajo y por toda la paciencia que ha tenido que tener, ya que ha estado

en todo momento pendiente de mi para ayudarme en todo lo que necesitaba.

También agradecer a mi amigo Iñaki Pereira, por el apoyo i interés mostrado durante la

realización del trabajo.

Por último, agradecer a mi familia, pareja y amigos por estar siempre a mi lado

apoyándome, tanto en los momentos buenos como en los malos.


Índice

1. Introducción ...................................................................................................................... 1

1.1. Generalidades ........................................................................................................... 1

1.2. Objetivos y metodología del estudio .......................................................................... 2

2. Estructuras de contención ................................................................................................. 3

2.1. Generalidades ........................................................................................................... 3

2.2. Tipología .................................................................................................................... 4

3. Estribos en vías férreas ...................................................................................................... 7

3.1. Generalidades ........................................................................................................... 7

Tipologías estructurales y procesos constructivos vinculados ........................................ 7

3.2. ....................................................................................................................................... 7

3.3. Diferencia entre puentes ferroviarios y puentes de carreteras. .................................. 8

3.4. Tipo de carga férrea ................................................................................................... 9

4. Alternativas estructurales propuestas para el análisis del comportamiento de estribos en

vías férreas ............................................................................................................................. 11

4.1. Generalidades ......................................................................................................... 11

4.2. Muro pantalla .......................................................................................................... 12

4.3. Muro en L ................................................................................................................ 13

4.4. Suelo reforzado ....................................................................................................... 13

5. Modelización numérica ................................................................................................... 15

5.1. Descripción del problema ........................................................................................ 15

5.2. Geometría ............................................................................................................... 15

5.3. Condiciones de contorno ......................................................................................... 16

5.4. Condiciones iniciales ................................................................................................ 16

5.5. Materiales ............................................................................................................... 17

5.6. Intervalo de tiempo ................................................................................................. 20

5.7. Generar malla .......................................................................................................... 21

6. Resultados ...................................................................................................................... 23

6.1. Muro pantalla .......................................................................................................... 23

6.1.1. Desplazamientos verticales .............................................................................. 23

6.1.2. Deformaciones de corte totales ....................................................................... 25

6.1.3. Deformaciones de corte plásticas (EDP) ........................................................... 26

6.1.4. Deformaciones volumétricas totales ................................................................ 27

6.1.5. Deformaciones volumétricas plásticas.............................................................. 28

6.2. Muro L ..................................................................................................................... 29







6.3. Suelo reforzado ....................................................................................................... 34






6.4. Comparación entre las diferentes tipologías estructurales ....................................... 39




6.5. Efecto del tipo de terreno ........................................................................................ 46

6.5.1. Muro pantalla .................................................................................................. 46

6.5.2. Muro L ................................................................................................................. 49

6.5.3. Suelo Reforzado ................................................................................................... 51

7. Conclusiones ................................................................................................................... 54

8. Trabajos futuros .............................................................................................................. 55

9. Referencias Bibliográficas ................................................................................................ 56

10. Anejos ......................................................................................................................... 57


1

1. Introducción

1.1. Generalidades

La construcción de puentes ha progresado mucho a lo largo de la historia. Los primeros

avances empiezan a final de la segunda guerra mundial y siguen avanzando hasta el

día de hoy. No podemos decir que es la época más brillante (siglo XIX), pero es

importante, ya que es la que más nos afecta por corresponder a los puentes que se

hacen en la actualidad.

Sin embargo, para dar congruencia a la exposición no podemos dejar de referirnos,

aunque sea muy de pasada, a toda la historia anterior de los puentes, pues una época

es consecuencia de la anterior y los puentes actuales no son sino el último reflejo de la

historia.

La función de un puente, el hecho de que sirva para materializar una plataforma de paso

con el fin de salvar un determinado obstáculo o la interferencia con otra vía, es una

dimensión secundaria para determinar lo que es un puente o lo que está siendo. Un

puente puede estar formado por acero, hormigón, madera... que, dependiendo el

material, sirve para resistir el efecto de unas determinadas acciones.

Se encuentran con los tres parámetros cuya evolución en el tiempo han determinado la

evolución del puente:

Material resistente.

Tipología estructural.

Acciones.


2

1.2. Objetivos y metodología del estudio

La idea fundamental para este trabajo es realizar el estudio mediante un análisis

numérico de diferentes estribos bajo un mismo caso. Y a éstos, cambiarles las

propiedades mecánicas del suelo y, así, demostrar la importancia de trabajar con

terrenos de alta calidad.

En la actualidad, no son muy abundantes los estudios que nos permiten comparar las

solicitaciones que hace frente los diferentes tipos de estribos en un paso férreo. Por

ese motivo, resulta de interés realizar un estudio comparativo del comportamiento de

estribos en los pasos férreos.

A lo largo del proyecto, se detallan las diferencias y similitudes que comparten cada uno

de ellos y que permiten comprobar qué tipología es la mejor para este caso.

Para el correcto desarrollo del estudio y a fin de obtener el objetivo mencionado, ha sido

conveniente establecer los siguientes objetivos secundarios, conformando la

metodología del presente trabajo.

1. Estudio respecto al diseño de los estribos de puentes según su proceso

constructivo, tipologías de materiales y ámbitos de aplicación.

2. Estudio de la modelización numérica de estribos de puentes.

3. Selección de alternativas adecuadas para estribos en líneas férreas. Selección

de las solicitaciones (cargas).

4. Definición del inventario de materiales y procesos para cada una de las

alternativas seleccionadas.

5. Generación de modelos 2D para cada una de las alternativas escogidas.

Planteamiento del problema y selección de los casos de sensibilidad a analizar.

6. Obtención de resultados mecánicos y comparativa entre las alternativas

planteadas/analizadas.

7. Desarrollo de conclusiones y futuras líneas de investigación.


3

2. Estructuras de contención

En este apartado se recogen las generalidades de una estructura de contención y su

tipología dependiendo por diferentes criterios.

2.1. Generalidades

Las estructuras de contención son utilizadas tanto para contener tierras como para

configurar el apoyo de vigas de puente para pasos superiores e inferiores de carreteras.

En el caso de una estructura de contención, es una estructura vertical construida a modo

de pared como elemento rígido, para el soporte de taludes escarpados de masas de

suelos y rocas en macizos fracturados, o de materiales homogéneos. En caso de los

estribos, también deben resistir los esfuerzos verticales y horizontales transmitidos por

las vigas puente que apoyan encima.

En este trabajo se verá el diseño de muros de contención, vistos como una estructura

que requiere determinar los empujes del terreno que está sometiendo procedentes de

su peso y de posibles fuerzas exteriores y acción del agua en caso de existir. Este

conjunto de acciones han de ser soportadas de forma estable y transmitidas al terreno

situado en la base del muro.

En resumen, la estructura de contención ha de estar diseñada para:

Resistir de forma estable los empujes del terreno y cargas exteriores.

Transmitir al terreno las tensiones de forma que el mismo pueda soportarlas.

Disponer de una adecuada resistencia estructural.

Existen varios tipos de estructuras de contención como los muros de gravedad, los

muros estructurales de hormigón, fuertemente armados, muros de gaviones y muros de

tierra armada y suelo reforzado, entre otros.


4

2.2. Tipología

La tipología de las estructuras de contención viene dada por diferentes criterios, que se

verán a continuación:

A. Procedimiento constructivo.

El primer caso que se encuentra son los muros, estructuras en las que primero

se excava el terreno y luego se construye la estructura. A continuación, se

explican las etapas del método constructivo de un muro convencional de

hormigón armado in-situ (tipo L, T invertida, etc.).

1. Replanteo.

2. Excavación y movimientos de tierras.

3. Ejecución del hormigón de limpieza.

4. Colocación de la armadura de la zapata.

5. Hormigonado de la zapata.

6. Ejecutar el encofrado de la cara interior del muro. (intradós)

7. Colocación de la armadura del muro de contención.

8. Encofrado de la cara exterior (trasdós).

9. Hormigonado y vibrado.

10. Desencofrar.

Es importante tener en cuenta la disposición correcta de las armaduras, de acuerdo al

diseño de la zapata en relación al empuje de las tierras.

En segundo caso, se encuentran las pantallas, estructuras de contención en las

que primero se construye la estructura y luego se excava el terreno. Las

pantallas son elementos de contención mucho más esbeltos que los muros,

menos en los casos de los muros armados también pueden tener secciones

pequeñas.

Por último, el suelo reforzado, esta tipología de estribos está formado por unas

placas de hormigón donde viene incorporado unas láminas horizontales de un

material resistente a tracción, para evitar la rotura por corte. Esto es debido a

que el terreno es un material que resiste relativamente bien a compresión, pero

mal a cortante y tracción. Dichas incorporaciones reemplazan los muros de

hormigón que requieren de cimentaciones profundas.


5

B. Comportamiento mecánico de la estructura.

Rígidas, son aquellas que, por sus dimensionamientos y materiales, cumplen su

función de soportar y transmitir las acciones sin cambiar significativamente de

forma. Esto implica que los movimientos de las estructuras serán de giro y

desplazamiento de sólido rígido del conjunto, sin que aparezcan deformaciones

apreciables de flexión que modifiquen de forma apreciable el estado tenso-

deformacional producido. Pertenecen a este grupo la mayoría de los

tradicionalmente llamados muros de gravedad.

Flexibles, son aquellas que por sus dimensionamientos y morfología cumplen su

función experimentando deformaciones apreciables de flexión que modifican el

estado tenso-deformacional producido. Pertenecen a este grupo las pantallas

continuas de hormigón armado, las pantallas de pilotes…

Los suelos reforzados son estructuras que deben su resistencia principalmente, al

refuerzo y externamente actúan como estructuras de muro por gravedad. Por tanto, se

considera que tienen un comportamiento de la estructura rígido.

C. Función de la estructura de contención.

Una estructura de contención puede tener varias funciones, se comentan a

continuación:

Estructuras de contención, contienen terreno natural.

Estructuras de sostenimiento, requiere terreno de aportación.

Estructuras de revestimiento. Protegen, por ejemplo, para prevenir la erosión.

Estribos, resisten los esfuerzos verticales y horizontales de la viga puente,

además de sostener los empujes de las tierras.


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D. Materiales empleados en la estructura.

Elementos individuales, que no es necesario que estén ligados entre sí. Estos

muros tienen que guardar unas proporciones geométricas (poca esbeltez) para

que sean estables. Con una anchura de al menos 50%-60% de la altura, lo que

hace que sean estructuras muy poco esbeltas y utilicen mucho material, aunque

dichas características pueden tener ventajas estéticas.

Hormigón. Material básico y más frecuente en las estructuras de contención,

tanto si trabajan por gravedad como si trabajan a flexión.

Acero. Poco usado, por ejemplo, se utiliza en suelos reforzados

Combinación de diferentes elementos.

E. Forma geométrica de la estructura.

Este apartado se diferencian las tipologías de muros diferentes por su forma, por

ejemplo, existen los muros de gravedad, muros en forma L, T, T invertida, pantalla

continua o pantalla de pilotes, suelo reforzado, etc.

F. Por la forma de resistir los empujes.

Este apartado se diferencia las tipologías de estructuras de contención dependiendo la

forma de resistir los empujes, por ejemplo:

Muros de gravedad: que resisten las acciones por su propio peso.

Muros trabajando por flexión.

Muros con contrafuertes, anclajes, puntales, plataformas estabilizadoras, etc.

Suelos reforzados que trabajan a tracción para soportar la resistencia por corte.


7

3. Estribos en vías férreas

3.1. Generalidades

Los estribos son los elementos que constituyen los soportes extremos de las obras de

paso elevado. Además de recibir las cargas transmitidas por el tablero, han de sostener

las tierras de los terraplenes de acceso a la estructura. La función de contención de

tierras incide en su durabilidad, por lo que es necesario una buena impermeabilización.

La altura máxima que se proyecta un estribo no suele superar los 15 m ya que, con

mayores alturas, dependiendo de la topografía del terreno y de la rasante, suele ser más

ventajoso aumentar la longitud del puente y disminuir la altura del estribo.

Sus funciones son:

Servir de elemento de transición entre el terreno y el tablero del puente.

Contener y dar estabilidad a las tierras.

Elemento resistente y de apoyo.

Proteger a las tierras de posibles erosiones y arrastres de tipo fluvial y pluvial.

3.2. Tipologías estructurales y procesos constructivos vinculados

La tipología de los estribos de los puentes viene determinada por el tipo del tablero y

por la capacidad portante del terreno de sustentación. Además, en la elección de uno u

otro tipo también influyen otros detalles como las características de la vía inferior, los

niveles de tráfico (ferroviario o vial), la existencia del cauce de un río o una vaguada, la

altura del terraplén de acceso o el perfil longitudinal del terreno.

A continuación, se explicará los diversos tipos de estribos que existen para pasos

férreos:

Estribos cerrados: son los más comunes en puentes. Estos constan de un muro

frontal sobre el que se apoya el tablero y al mismo tiempo sirve para contener

las tierras. Se cimenta en el terreno natural y no sobre el terraplén, lo que permite

disminuir el asiento que puede sufrir a largo plazo, que repercutiría en el tablero

si éste fuese hiperestático.


8

Estribos abiertos: se realizan para alturas superiores a 5 metros, porque el

espesor del dintel es importante y la dificultad constructiva es elevada. Además,

siempre se complementan con aletas en vuelta para que las tierras no invadan

la zona de apoyos.

Sillas cargadero: es otro tipo habitual de estribos cuando está permitido el

derrame frontal. Se emplean fundamentalmente en puentes con tablero

isostático debido a que sufren descensos importantes. También pueden

utilizarse para estructuras hiperestáticas cuando se colocan pilotes que se

ejecutan una vez realizado el cargadero. Para ejecutar un estribo de este tipo es

necesario respetar una distancia mínima al borde del terraplén, en general de

2,5 m. Adecuada compactación del terreno para evitar que los asientos diferidos

en el tiempo que se produzcan no afecten a la funcionalidad de la estructura.

Estribos de tierra armada: cuando las tierras no pueden derramar por delante del

alzado del estribo y el terreno tiene una tensión admisible muy baja, es muy

deformable o no se pueden realizar excavaciones, se recurre a estribos de suelo

reforzado o de tierra armada. Esté consiste en armar el material del terraplén

con unas pletinas o “armaduras”, que pueden ser galvanizadas o de fibra de

carbono colocadas normalmente al paramento frontal del estribo. Estas pletinas

absorben por rozamiento con el terreno los empujes horizontales.

3.3. Diferencia entre puentes ferroviarios y puentes de carreteras.

Las principales diferencias entre los puentes ferroviarios y los puentes de carreteras son

sus funciones de las características intrínsecas causadas por los modos de transportes

que van a soportar los mismos.

Existen notables diferencias en las dimensiones de los puentes debido a las dispares

magnitudes que adquirirán las acciones en uno y otro caso, además de las limitaciones

en servicio por criterios de asiento diferencial tanto entre el terreno y la estructura como

entre los dos estribos.


9

Los trazados ferroviarios están mucho más limitados geométricamente que las

carreteras, exigiéndose mayores radios de curvatura y menores pendientes, limita las

características. Por tanto, en esta comparativa se utilizará un paso férreo recto.

Las sobrecargas de uso en puentes de ferrocarril son muy superiores que las que se

consideran en puentes de carretera. Unidos al punto anterior referente al trazado, esto

obliga a soluciones constructivas con mayores cantos y mucho más rígidas.

Los condicionantes de deformabilidad que se exigen a los puentes ferroviarios son

mucho más restrictivos que los de los puentes de carretera.

Las sobrecargas de uso en el caso de los ferrocarriles pueden provocar problemas de

fatiga debido a su elevada intensidad y su carácter repetitivo.

Por ello, sus instrucciones son completamente diferentes:

Acciones a considerar en el proyecto de puentes de carretera (IAP-11)

Acciones a considerar en el proyecto de puentes de ferrocarril (IAPF-07), en el

punto 3.4. se haya la solución de cargas que se aplicara en este proyecto.

En puentes ferroviarios las limitaciones de deformación se agrupan en dos grupos,

aquellas que garantizan la conservación y continuidad de la vía y las ligadas al confort

de los usuarios. Debido a estos condicionantes, se utilizan únicamente estructuras

isostáticas. Hay varios métodos constructivos, pero uno de ellos, es la solución de la

unión de tablero-estribo.

3.4. Tipo de carga férrea

La carga estática producida por el peso de los vehículos ferroviarios sobre una vía, se

asimilará a la del tren UIC71 (modelo de cargas verticales propuestas por la IAPF-07),

dicho tren cuenta con las siguientes características:

La primera carga uniformemente repartida de 80 kN/m sobre una longitud

indefinida.

Una segunda carga en forma de carga puntual de 250 KN situada 0,8 m después

del final de la carga repartida mencionada en el punto anterior.

La tercera, cuarta y quinta carga corresponde a cargas puntuales de 250 kN

separadas entre si con una distancia de 1,6 m.

La sexta carga corresponde a una carga idéntica a la primera con el mismo valor

y distancia.


10

A todas estas cargas, se les deberá aplicar el coeficiente de clasificación establecido en

el Eurocódigo 1 de α=1,21 para aquellas vías con ancho ibérico y un coeficiente de

clasificación α=0,90 para anchos métricos.

El tren de cargas ferroviarias se aplicará transversalmente al puente en la posición más

desfavorable dentro de la plataforma de vías.

La plataforma de vías se delimitará colocando sobre el tablero, durante su construcción,

elementos físicos y permanentes. En vías sobre balasto, la anchura de la plataforma de

vías deberá permitir un eventual desplazamiento transversal de las vías de 0.3 m a

ambos lados de su eje teórico.

Figura 2:Reparto longitudinal de una carga puntual en vía sobre balasto. Fuente: IAPF-07.

Figura 3: Reparto longitudinal de una carga puntual sobre traviesa a través del balasto. Fuente: IAPF-07.

Figura 1: Modelo de cargas propuesta en la IAPF-07. Fuente: Instrucción de acciones a considerar en puentes de ferrocarril (IAPF).


11

4. Alternativas estructurales propuestas para el análisis del

comportamiento de estribos en vías férreas

4.1. Generalidades

Una vez explicado todos los puntos anteriores, toca elegir que alternativas de estribos

se utilizará para realizar el estudio y comparativa utilizando el análisis numérico.

Se han escogidos tres tipos de estribos, que son el muro pantalla y muro L (estribos

cerrados) que es una tipología estructural muy parecida, y un tercer estribo, el suelo

reforzado (estribos de tierra armada), ya que es completamente diferente a los dos

anteriores. Así se puede analizar sus similitudes y diferencias entre las diferentes

tipologías de estribos e incluso comparar las de un mismo grupo.

Se realiza un estudio previo de investigación sobre el dimensionamiento de los estribos.

Consultando la normativa “Obra de paso de nueva construcción” realizado por el

Ministerio de Fomento, destaca que es muy importante la altura en los estribos, ya que

no suele superar los 15 metros, e incluso superar los 10 m, ya que cuanto más alto es

el estribo más largo tiene que ser la longitud del puente.

También se ha consultado la normativa de Adif “Norma Adif Plataforma puentes y

viaductos ferroviarios”, donde cita textualmente “los puentes con un gálibo inferior a 4,5

m se protegerán con estructuras metálicas por el posible impacto de carretera”, por

tanto, para evitar dicha estructura, se considerará un gálibo de 5m.

Una vez realizada dicha búsqueda, se lleva a cabo un estudio con el programa GEO5,

para que el dimensionamiento de los estribos sea mucho más exacto, se realiza con el

suelo que tiene las propiedades mecánicas más bajas (suelo blando) y así no crear un

sobredimensionamiento en los demás suelos.

Cálculos realizados con el programa GEO5 ver Anejo A.


12

4.2. Muro pantalla

Para el modelo muro pantalla se ha determinado una altura de 8 metros para el estribo,

con un espesor de 1.17 m, utilizando 0.7 m para el apoyo de la losa superior.

En la Figura 4 se puede observar como queda dicho dimensionamiento del muro

pantalla.

Los 13 metros de longitud de la losa son debido a 7 metros de carretera (3,5 m por carril)

y 4 metros de acera para peatones. Dichos valores se considerarán igual para los otros

modelos.

Figura 4: Dimensionamiento muro pantalla.


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4.3. Muro en L

En este caso, como su propio nombre indica, está formado por una zapata en la parte

inferior de la estructura, dando una estabilidad mayor que el muro pantalla. Por tanto,

se ha determinado un dimensionamiento para esta tipología un poco más estricto ya

que no necesita tanta esbeltez ni altura como el caso anterior.

A continuación, en la Figura 5 se muestra el dimensionamiento definitivo del estribo.

Volviendo a mantener los 13 metros de la losa superior y los 5 metros de gálibo.

4.4. Suelo reforzado

Para este modelo de estribo se utilizará unas placas de hormigón de 1.5 m (alto) × 1.5

m (ancho) × 0.15 m (espesor). Conformando una altura de 6 m (es decir, 4 placas). Las

placas van separadas verticalmente entre sí mediante piezas de apoyo elastoméricas

de 20 mm de espesor (altura). Esta separación y junta permite tener una función

mecánica importante en el comportamiento en servicio de la estructura, permitiendo

tanto una buena distribución de tensiones verticales a través del paramento, confiriendo

una naturaleza semi-flexible al paramento y absorbiendo asientos diferenciales entre el

suelo y el paramento, además de asegurar una junta abierta drenante, así como

evitando el contacto hormigón-hormigón entre paneles consecutivos. De cada panel

salen 2+2 refuerzos de naturaleza metálica tipo fleje, y de longitud 0.7 veces la altura

Figura 5: Dimensionamiento del muro L.


14

total. Los refuerzos van conectados a los paneles mediante una conexión rígida, y van

distribuidos en el alto y largo estructural para que su separación entre sí sea la misma.

El paramento se instala encima de una losa de apoyo de 0.3 m × 0.15 m.

Para finalizar, en la parte de superior se colocará un apoyo de hormigón HA-30 con el

dimensionamiento para cumplir un gálibo de 5 m y una longitud del vano de 13 m, para

mantener la igualdad de datos que los demás modelos.

En la Figura 6, se aprecia como queda el dimensionamiento de la estructura.

Figura 6: Dimensionamiento del suelo reforzado.


15

5. Modelización numérica

5.1. Descripción del problema

Para la realización de este trabajo se ha llevado a cabo el estudio de tres modelos bases

con una tipología estructural diferente, que son, el muro pantalla, el muro L y el suelo

reforzado.

Además, se ha realizado unos cambios en las propiedades mecánicas del suelo en cada

uno de ellos. Los cambios que se han realizado en las propiedades del suelo son el

Módulo de Young, el ángulo de rozamiento y la cohesión.

Estos modelos bases estarán sometidos a las diferentes cargas producidas por la

entrada y colocación en el centro del vano del tren.

5.2. Geometría

Los modelos están conformados por un suelo duro (bueno), con unas dimensiones de

40 m en el eje horizontal para todos los modelos. Sin embargo, el eje vertical cambia

dependiendo la tipología de la estructura. Obteniendo una altura de 16 metros en el

muro pantalla, 13.4 m en el muro L y para el suelo reforzado 15.62 m.

Además, se le añade de 0.7 m más debido al balasto.

La geometría de las estructuras está explicada en el apartado 4. Alternativas

estructurales propuestas para el análisis del comportamiento de estribos en vías férreas.

Dicho apartado se podrá visualizar el dimensionamiento de las estructuras que se han

estudiado.

Se le añade una interfase de 20 cm en el contorno de los estribos para el contacto entre

estructura-suelo. Esto es debido a que las interacciones mecánicas del suelo juegan un

papel importante en el comportamiento de los muros de contención. Las estructuras

requieren el uso de dicha interfase entre diferentes componentes para modelar

interacciones suelo-estructura y capturar la transferencia de esfuerzos cortantes a

través de esas discontinuidades.


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5.3. Condiciones de contorno

Las condiciones de contorno se corresponden con una prescripción de desplazamientos

normales impedidos en el contorno horizontal de la base y en los contornos verticales

laterales (incluyendo el balasto). En la Figura 7 se muestra más detalladamente como

quedan estos impedimentos en desplazamiento en el caso de muro pantalla, aunque

han sido análogamente aplicados también en los otros dos modelos.

5.4. Condiciones iniciales

Una vez fijado las condiciones de contorno, hay que añadir unas condiciones iniciales

de tensiones, calculadas a partir de multiplicar el peso específico del suelo por su altura

(cota z).

Al variar la geometría de los tres modelos bases, se ha utilizado unas condiciones

diferentes para cada caso.

𝜎𝑦 = 𝛾𝑛𝑧

𝜎𝑥 = 0.5𝜎𝑦 = 𝜎𝑧

Altura, z (m)

Peso específico, γ

(kN/m3) σx

(𝐤𝐏𝐚) σy

(𝐤𝐏𝐚) σz

(𝐤𝐏𝐚)

Pantalla 16

22

0.18 0.36 0.18

Muro L 13.4 0.15 0.30 0.15

S. Reforzado 15.62 0.17 0.34 0.17

Tabla 1: Condiciones iniciales de los tres modelos base.

Figura 7: Condiciones de contorno aplicadas.


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La altura de los modelos varia debido a la altura de su estribo. En el muro pantalla se

utiliza 8 metros, para el muro L al tener mejor resultados de estabilidad gracias a su pie,

se ha reducido la esbeltez y altura (comentado anteriormente) dando una cota de 6.7 m

y el suelo reforzado se utiliza 4 placas de hormigón en el eje vertical más el apoyo de

hormigón dando una altura de 7.81 m. Y cada altura de su estribo se ha llevado hacía

abajo para marcar el límite del terreno. Aunque la cota z cambie, se mantiene constante

la altura del gálibo y la longitud del puente.

5.5. Materiales

En este apartado se presentan las diferentes propiedades de los materiales que se han

utilizado para estudiar la comparación.

Se muestra en la Tabla 2 los valores utilizados para las propiedades mecánicas del

suelo, añadiendo que el suelo duro es el material utilizado para los modelos base de

cada tipología estructural.

Tabla 2: Cambios de las propiedades mecánicas de los suelos.

Falta añadir, que las propiedades que se han utilizado para el bloque del suelo reforzado

a sido los mismos valores que el suelo duro.

A continuación, se presentan las fórmulas y resultados de las propiedades mecánicas

que se tienen que introducir en la interfase (contacto entre estructura-suelo) del suelo

duro.

𝐸𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑓𝑎𝑠𝑒 = 0.82𝐸

𝑐𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑓𝑎𝑠𝑒 = 0.82𝑐

ф𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑓𝑎𝑠𝑒 = tan−1(0.8tan (ф))

Suelo Duro Suelo Intermedio Suelo Blando

Módulo de Young, E (MPa) 100 70 40

Cohesión, c (kPa) 0.01 2.5 5

Ángulo de rozamiento, ф (º) 38 34 30

Peso específico, γ (kN/m3) 22 20 18


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Tabla 3: Propiedades mecánicas de la interfase.

Una vez definido el suelo y la interfase, queda añadir los materiales utilizados para la

construcción de las estructuras.

Módulo de

Young, E (MPa)

Poisson, ν

(-)

Peso específico, γ

(kN/𝐦𝟑)

Hormigón Estribo 30000 0.15 2500

Hormigón Losa 40000 0.15 2500

Acera 20000 0.15 2400

Aglomerado 6000 0.15 2400

Apoyo zunchado 1000 0.45 2200

Balasto 1000 0.15 2700

Acero (flejes suelo

reforzado) 210000 0.15 7850

Tabla 4: Propiedades mecánicas de los materiales.

Suelo Duro

Módulo de Young, E (MPa) 64

Cohesión, c (kPa) 0.08

Ángulo de rozamiento, ф (º) 32

Peso específico, γ (kN/m3) 22


19

En la Figura 8, se muestra una distribución de los materiales. En el caso del suelo

reforzado se añade el acero y el zunchado que se utiliza para la separación de cada

placa de hormigón.

Figura 8: Distribución de los materiales. (a) Muro pantalla, (b) Muro L y (c) S. Reforzado.


20

5.6. Intervalo de tiempo

Se ha definido diferentes intervalos de tiempo representativos para poder llevar a cabo

el estudio. Después de primer intervalo, necesario para el equilibrio inicial de tensiones,

se ha definido 3 intervalos que representan 3 casos de aplicación de carga estática que,

de modo simplificado y en conjunto/secuencia, tratan de simular una situación de carga

transitoria según el paso del tren. Este estudio no modeliza la secuencia constructiva de

los tres casos analizados.

Se considera que el modelo de cargas UIC-71 circula a una velocidad de 100 km/h para

causar las cargas impuestas. La Figura 9 muestran el mismo intervalo de tiempo

utilizado para los otros dos modelos (muro L y suelo reforzado).

Figura 9: Intervalo de tiempo. (a) Intervalo 1 (3600s)- equilibrio. (b) Intervalo 2 (1s)- entra el tren. (c) Intervalo 3 (1s)- centro del tren a punto de entrar a la estructura y (d) Intervalo 3 (1s)- tren situado en el centro de la losa superior.


21

5.7. Generación de la malla de cálculo

Para finalizar los diseños, se elabora una malla de elementos finitos con triángulos

lineales. En la Figura 10, se observa que los contornos de la estructura, la sensibilidad

de la malla es mucho más estricta, produciendo una exactitud mayor de los valores, ya

que son zonas de particular interés.

Con la misma metodología se aplica en los otros dos modelos, como se observa en las

Figuras 11 y 12.

Figura 10: Malla del modelo base.

Figura 11: Malla del modelo muro L.


22

Figura 12: Malla del modelo suelo reforzado.


23

6. Resultados

Una vez realizado todo el procedimiento explicado con anterioridad, se ha llevado a

cabo el cálculo de dicho problema para cada modelo. En los futuros resultados, se

añadirán las etapas en que aparece el tren, ya que son las más significativas a estudiar,

llegando a la conclusión que el intervalo 3 (tren en el centro del vano) es el caso más

desfavorable para la estructura/terreno.

Además, se analizarán los desplazamientos verticales, las deformaciones de corte y

volumétricas y las deformaciones plásticas que sufren las tres tipologías de estructuras.

Los datos facilitados en las figuras, tienen las unidades de metros para los

desplazamientos y para cualquier deformación viene dada por el porcentaje.

6.1. Muro pantalla

6.1.1. Desplazamientos verticales

En este apartado se lleva a cabo el estudio de los desplazamientos en el eje vertical,

donde en la Figura 13 muestra la evolución de los desplazamientos verticales a la vez

que va llegando las cargas causadas por el tren.

Se aprecia con claridad, la evolución de los desplazamientos verticales una vez que

entra el tren hasta que se sitúa en el centro del vano.

En la Figura 13 (b), el centro del tren se sitúa en posición de entrar a la estructura, y se

observa como el primer estribo empieza a sufrir su etapa más crítica.

Una vez superado el primer estribo y el tren se sitúa en el centro del vano, esté empieza

a estabilizarse, y ahora es el segundo estribo quien comienza a sufrir el punto más

crítico.

Por tanto, se llega a la conclusión que, para realizar un buen estudio, el mejor punto

para analizar es la zona inferior del primer estribo ya que es donde trascurre todos los

períodos de la carga del tren, es decir, la entrada y salida.


24

Figura 13: Desplazamientos verticales pantalla (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a

entrar a la estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.


25

6.1.2. Deformaciones de corte totales

En la Figura 14, se muestra las deformaciones de corte totales que sufre la estructura a

causa de las cargas producidas por el tren.

Figura 14: Deformaciones de corte. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a entrar a la

estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.


26

Se aprecia como el intervalo 2 tiene las deformaciones más críticas en la parte inferior

del primer estribo (caso más desfavorable).

Para finalizar, una vez que el centro del tren se sitúa en el vano, el primer estribo tiende

a volver al estado de equilibrio, debido a que las cargas más significativas ya han pasado

por esa zona, mientras que el segundo apoyo es el que comienza a sufrir mayores

deformaciones.

6.1.3. Deformaciones de corte plásticas (EDP)

En la Figura 15 se presenta la evolución de las deformaciones de corte plásticas. En

este caso, se trata de una evolución muy insignificante, ya que los valores obtenidos

varían mínimamente desde el primer intervalo hasta el último. En este modelo se

presentan las deformaciones en las esquinas inferiores de los estribos.

Figura 15: Deformaciones plásticas (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a entrar a la estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.


27

6.1.4. Deformaciones volumétricas totales

A continuación, la Figura 16 muestra las deformaciones volumétricas totales desde que

entra hasta que el tren se sitúa en el centro del vano.

Figura 16: Deformaciones volumétricas pantalla. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a



28

Las deformaciones estudiadas en este apartado, tienen un ligero parecido a las

deformaciones totales, es decir, el primer estribo sufre las deformaciones volumétricas

máximas en el Intervalo 2, y una vez que el tren supera dicho estribo, es el segundo

quien comienza a sufrir sus deformaciones más críticas.

6.1.5. Deformaciones volumétricas plásticas

En este apartado, se muestra las deformaciones volumétricas plásticas, obteniendo

unos resultados despreciables (Figura 17).

Figura 17: Deformaciones volumétricas plásticas. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a



29

6.2. Muro L


Lo primero de todo, se empieza mostrando los desplazamientos verticales que sufre el

muro L en el eje vertical con el tiempo transcurrido, es decir, lo comentado

anteriormente, el intervalo 1, 2 y 3.

Figura 18: Desplazamientos verticales muro L. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a entrar a la estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.


30

Los desplazamientos en el eje vertical que sufre la tipología estructural del muro L es

similar a la pantalla. Es decir, que el primer estribo sufre los mayores desplazamientos

en el intervalo 2 y una vez que el tren supera ese punto, ya tiende a estabilizarse

mientras que el segundo estribo coge las solicitaciones más altas.


A continuación, se muestra en la Figura 19, las deformaciones de corte totales, donde

la mayor afectación es en la zona inferior de la zapata del primer estribo, aunque si el

tren continuara, dicho estribo buscaría el equilibrio otra vez mientras que el segundo

sería el que tuviera las deformaciones más críticas.

Figura 19: Deformaciones de corte muro L. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a entrar a la estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.


31


Tal y como se ha realizado con anterioridad, en la Figura 20 se muestran los 3 intervalos

que dependen de las cargas del tren, y así, valorar los casos más significativos y

observar la evolución de dichas deformaciones de corte.

Figura 20: Deformaciones plásticas muro L. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a entrar a la estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.

Vuelven a mostrarse unas deformaciones plásticas que varían muy poco con el paso de

los intervalos. A diferencia del otro modelo, en éste sucede las deformaciones plásticas

en las tres esquinas de la zapata, sufriendo las mayores deformaciones plásticas en la

esquina interior.

Las deformaciones que sufren en el aglomerado es posible que sea porque no haya

una interfase estructura-suelo.


32


En este apartado se comenta las deformaciones volumétricas totales. Se aprecia en la

Figura 21 la evolución que tienen debido a las cargas aplicadas por el paso del tren. La

zona con los resultados más elevados sucede debajo del primer estribo, durante el

intervalo 2, cuando el centro del tren se prepara para entrar en la estructura.

Figura 21: Deformaciones volumétricas muro L. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a entrar a la estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.


33


En la Figura 22, se muestra las deformaciones volumétricas plásticas, se puede

observar que dichas deformaciones se producen en las esquinas de la zapata.

Causando las deformaciones máximas en la esquina del interior.




34

6.3. Suelo reforzado

En este apartado se utiliza el mismo procedimiento anterior, añadiendo los resultados

que produce las cargas del tren durante el primer intervalo hasta el tercero con una

geometría estructural de suelo reforzado.


Primeramente, en la Figura 23 se enseñan los desplazamientos en el eje vertical que

causa la entrada del tren hasta el centro del vano.

Figura 23: Desplazamientos verticales del suelo reforzado. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a entrar a la estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.


35


Se representa las deformaciones de corte totales que sufre esta tipología de estribos en

la Figura 24. A diferencia de los otros modelos, éste mantiene unas deformaciones de

corte menos repartidas por el terreno, pero las zonas más críticas son justamente debajo

de los estribos, igual que los demás ejemplos.

Figura 24: Deformaciones de corte en el suelo reforzado. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a entrar a la estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.


36


En este apartado, en la Figura 25, se puede observar cómo las deformaciones de corte

plásticas que existen durante el intervalo de tiempo varia muy poco entre ellas. Se

aprecia que las deformaciones plásticas más significativos sucede en la parte inferior de

los estribos y en la parte del aglomerado, que estos es posible por la inexistencia de una

interfase en esa zona.

Figura 25: Deformaciones plásticas del suelo reforzado. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a entrar a la estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.


37


En este modelo las deformaciones volumétricas más significativas se producen en la

parte inferior de los estribos, pero manteniendo una estabilidad mayor que los otros

modelos sobre el terreno durante la entrada del centro del tren a la estructura y cuando

se dirige al centro de la losa.

Figura 26: Deformaciones volumétricas del suelo reforzado. (a) Intervalo 1- entrada del tren, (b) Intervalo 2- centro del tren a entrar a la estructura y (c) Intervalo 3- tren centro de la losa.


38


En la Figura 27 se muestra las deformaciones volumétricas plásticas, se puede apreciar

que en esta tipología de estructuras no sufre casi deformaciones.




39

6.4. Comparación entre las diferentes tipologías estructurales

En este apartado se realiza la comparación de las diferentes tipologías estructurales

que se han analizado (muro pantalla, muro L y suelo reforzado) referente a los

desplazamientos verticales, las deformaciones de corte y volumétricas.

6.4.1. Desplazamientos estructurales

Para poder comprobar que alternativa estructural tiene mejores comportamientos en los

desplazamientos verticales se realizará una comparación en el punto más

representativo de ellos, que sucede en la parte inferior del primer y segundo estribo y

otra comparación en la coronación de cada uno de ellos. Dichas diferencias entre ellos,

varían los resultados por milímetros (visto en las leyendas de las figuras de los

apartados anteriores).

Para comparar el primer caso se utiliza los datos siguientes: para el muro pantalla

(6.585,0), muro L (7,0) y para el suelo reforzado (6,0) correspondientes en el pie de las

estructuras.

En la Figura 28, se muestra el resultado obtenido de los tres modelos, comparando los

desplazamientos verticales causados por las cargas del tren con el tiempo.

Figura 28: Comparativa de los tres modelos. Desplazamientos verticales en el pie del primer estribo.


40

Se aprecia que los desplazamientos verticales producidos en las diferentes tipologías

estructurales muestran una similitud. Una vez que el tren está entrando en la estructura

y se coloca en el centro del vano, el muro L proporciona unos desplazamientos verticales

menores que los otros dos modelos.

A continuación, la Figura 29, presenta la comparación en el segundo estribo. Los puntos

utilizados son, para la pantalla (-6.585,0), muro L (-7,0) y el suelo reforzado (-6,0).

Figura 29: Comparativa entre los tres modelos. Desplazamientos verticales en el pie del segundo estribo.

Vuelve a repetir los mismos resultados que en el primer estribo, el muro L tiende a tener

el mejor resultado en desplazamientos verticales.

Una vez demostrado el punto anterior, se lleva a cabo la segunda comparación

explicada. Con los puntos siguientes: para el muro pantalla (7.17,8), para el muro L

(6.7,6.7) y el suelo reforzado (6.8,7.81) correspondientes a la coronación del paramento

para cada una de las alternativas.


41

Figura 30: Comparativa de los tres modelos. Desplazamientos verticales en la coronación del estribo.

En la coronación del estribo vuelve a dar los mismos resultados que en la base del pie,

el muro L ofrece mejor comportamiento ante los asientos y el suelo reforzado tiene los

peores resultados de desplazamientos verticales.


42


Las deformaciones de corte totales no es un caso donde se pueda analizar mediante un

gráfico ya que cada uno de los modelos las sufre en partes distintas debido a su

diferencia en la estructura/geometría.

En la Figura 31 se aprecia las zonas donde ocurren las deformaciones de corte totales

más críticas de cada caso (intervalo 2).

Figura 31: Deformaciones totales. (a) muro pantalla, (b) muro L y (c) suelo reforzado.


43

Se analiza que las deformaciones de corte totales se producen en el pie del primer

estribo. El suelo reforzado es el modelo que presenta los valores más altos respecto a

los otros casos, y también sufriendo unas deformaciones en los extremos de su refuerzo.

Entre la pantalla y el muro L tienden a unos resultados más similares, para ellos, se

reducirá la escala de valores para poder obtener cual de los dos modelos tiene menores

deformaciones, que se puede apreciar en la Figura 32.

Figura 32: Reducción de la leyenda. Deformaciones de corte totales. (a) pantalla y (b) muro L

Al reducir el rango de valores, se puede ver como la pantalla sufre menores

deformaciones de corte en su punto más crítico.


44


En la Figura 33, se muestra la situación más desfavorable para las deformaciones

volumétricas totales, que se repite en el intervalo 2, el momento que el centro del tren

se sitúa para entrar en la estructura.

Figura 33: Deformaciones volumétricas totales. (a) muro pantalla, (b) muro L y (c) suelo reforzado.


45

Los resultados obtenidos tienen un cierto parecido a las deformaciones de corte totales,

siendo el suelo reforzado la tipología estructural que más sufre. Las zonas de afectación

son en el pie del estribo (más crítico) y los extremos del reforzado.

El muro L y la pantalla ofrecen unos resultados más parecidos, pero en la Figura 34, se

reduce la escala de resultados para poder obtener unas mejores respuestas.

Figura 34: Reducción de la leyenda. Deformaciones volumétricas totales. (a) pantalla y (b) muro L

Finalmente, se puede decir que el muro L tienen las deformaciones volumétricas más

pequeñas que el muro pantalla.


46

6.5. Efecto del tipo de terreno

El otro cambio comentado con anterioridad, que se ha realizado en los tres modelos son

las propiedades mecánicas del suelo. En la Tabla 2, se muestran las diferencias entre

cada uno de ellos.

En los siguientes apartados, se presenta la comparativa con los diferentes suelos

aplicados en cada uno de su modelo, y así, poder demostrar que tipología de terreno es

mejor. Se realizará las comparaciones con los desplazamientos verticales,

deformaciones de corte y volumétricas.

6.5.1. Muro pantalla

Para empezar, se realiza la comparación de los desplazamientos del eje vertical de los

diferentes casos respecto a las propiedades mecánicas del muro pantalla, que se

pueden ver en la Figura 35, se ha estudiado en el punto (6.585,0), debajo del pie del

estribo.

Figura 35: Comparativa de las diferentes propiedades mecánicas del muro pantalla. Desplazamientos verticales.


47

Como era de esperar, las mejores propiedades mecánicas del suelo son las que ofrecen

mejores resultados en desplazamientos.

En la Figura 36, se lleva a cabo la comparación de las deformaciones de corte

dependiendo del terreno del muro pantalla. Estos resultados son estudiados en el punto

comentado anteriormente, el (6.585,0).

Figura 36: Comparativa de las diferentes propiedades mecánicas del suelo. Deformaciones de corte totales.

Una vez más, vuelve a demostrar que el suelo duro tiende a tener mejores resultados

que los otros dos suelos.

Para finalizar con el modelo muro pantalla, queda por realizar la comparación de las

deformaciones volumétricas totales en el mismo punto estudiado. En este caso,

observando la Figura 37 vuelve a presentar que las propiedades mecánicas del suelo

duro son las mejores comparado los otros dos casos.


48

Figura 37: Comparativa de las diferentes propiedades mecánicas del suelo. Deformaciones volumétricas totales.


49

6.5.2. Muro L

Se vuelve a realizar la comparación de los diferentes suelos estudiados, pero esta vez

con el muro L, para verificar que propiedades mecánicas del suelo son mejores para

este modelo. En la Figura 38, se muestra los desplazamientos verticales – tiempo

respecto el punto (7,0), situado en el centro de la zapata.

Se observa los mismos resultados que se han obtenido en las otras comparativas

realizadas anteriormente, demostrando que el suelo duro es el mejor modelo.

A continuación, en la Figura 39 se compara las deformaciones de corte totales que

produce cada una de las tipologías de suelo estudiado, y comprobar si el suelo duro

garantiza de nuevo los mejores resultados (utilizando el mismo punto anterior para el

estudio).

Figura 38: Comparativa de las diferentes propiedades mecánicas del suelo. Desplazamientos verticales.


50

Figura 39: Comparativa de las diferentes propiedades mecánicas del suelo. Deformaciones de corte.

El suelo duro vuelve a dar los mejores resultados, seguido del suelo intermedio y los

peores resultados los ofrece el suelo blando.

Para finalizar este modelo, se compara las deformaciones volumétricas totales en el

punto (7,0).

Si se observa en la Figura 40, vuelve a proporcionar el suelo duro las deformaciones

volumétricas de menor rango.

Figura 40: Comparativa de las diferentes propiedades mecánicas del suelo. Deformaciones volumétricas.


51

6.5.3. Suelo Reforzado

Se compara los desplazamientos verticales, pero en este caso, con el modelo del suelo

reforzado y sus variaciones en el suelo (Modulo de Young, cohesión y el ángulo de

rozamiento). El punto que se va a estudiar para el suelo reforzado es (6,0), punto medio

de la zapata.

La Figura 41, presenta de nuevo que el suelo duro es el mejor caso de los tres modelos

del suelo reforzado. Volviendo a obtener el suelo blando los desplazamientos verticales

más altos.

Figura 41: Comparativa de las diferentes propiedades mecánicas del suelo. Desplazamientos verticales.


52

A continuación, en la Figura 42 se analiza la misma comparativa, pero esta vez con las

deformaciones de corte totales.

Figura 42: Comparativa de las diferentes propiedades mecánicas del suelo. Deformaciones de corte.

Vuelve a obtener los mejores resultados el suelo duro, seguido del suelo intermedio y

acabando con las peores deformaciones de corte con el suelo blando.

Para finalizar, se compara las deformaciones volumétricas con los tres modelos de suelo

reforzado, variando sus propiedades mecánicas.

En la Figura 43, presenta los mismos resultados obtenidos en todas las comparaciones

del suelo, es decir, que el suelo duro tiene las menores deformaciones volumétricas de

los tres casos.


53

Figura 43: Comparativa de las diferentes propiedades mecánicas del suelo. Deformaciones volumétricas.


54

7. Conclusiones

Una vez realizado el análisis numérico de las diferentes alternativas de estribos para el

paso de líneas férreas (muro pantalla, muro L y suelo reforzado) y dependiendo de las

propiedades mecánicas del terreno (categorizadas según suelo duro, intermedio y

blando) se puede llegar a la siguiente conclusión:

En referencia al cambio de las propiedades del terreno, han dado los resultados

esperados. La variación de los parámetros de densidad, resistentes (cohesión y

ángulo de rozamiento) y de rigidez (módulo elástico) entre los diferentes tipos de

suelo (duro, intermedio y blando) demuestra que, con el suelo duro se obtiene

un comportamiento estructural mejor frente a los otros dos escenarios

analizados.

En el modelo base, al variar la geometría entre el muro pantalla, muro L y suelo

reforzado, se ha realizado una comparación entre desplazamientos en el eje vertical,

deformaciones totales y deformaciones volumétricas. De esta comparación, puede

concluirse lo siguiente:

Cuando se habla de desplazamientos en el eje vertical, el muro L obtiene unos

resultados mejores del muro pantalla y el suelo reforzado, que ambas

geometrías tienen resultados muy parecidos.

En deformaciones totales el muro pantalla y muro L tienden a tener unas

deformaciones más pequeñas que el suelo reforzado. Aunque los resultados

estudiados demuestran que la pantalla obtiene menores deformaciones.

Para finalizar, en las deformaciones volumétricas, se obtienen resultados muy

parecidos a las deformaciones totales, resultando que el muro L vuelve a tener

las menores deformaciones volumétricas.

Por tanto, las conclusiones finales son que la categoría de suelo duro es el mejor, como

era de esperar (aún con una cohesión insignificante respecto al suelo blando), y en

cuanto geometría, el muro L ha demostrado los mejores resultados estudiados para

unas condiciones de un paso bajo una vía férrea.


55

8. Trabajos futuros

Una vez se han obtenidos y analizados los resultados mecánicos de las diferentes

alternativas de estribos planteadas, así como de las diferentes propiedades mecánicas

del suelo asumidas, restaría pendiente analizar las mismas alternativas desde criterios

económicos y ambientales. De este modo, se lograría determinar cuál es la mejor

alternativa a través de una evaluación de la sostenibilidad completa y exhaustiva,

Desde un punto de vista mecánico y funcional, para según que tipologías no lineales de

estribo, podría ser conveniente una modelización en 3D, añadiendo nuevas propiedades

geométricas de los mismos. Además, la presencia de agua podría, asimismo, hacer

variar algunos de los resultados obtenidos.

Al respecto de las estructuras de suelo reforzado, podría ser conveniente un estudio

más específico y completo, incluyendo otras naturalezas materiales de refuerzo como

lo son las de tipo polimérico.


56

9. Referencias Bibliográficas

GONZALEZ DE VALLEJO L., FERRER M., ORTUÑO L., OTEO C. Ingeniería

Geológica. Pearson Prentice Hall. 2005.

MINISTERIO DE FOMENTO. Obras de paso de nueva construcción. 2000.

NORMA ADIF PLATAFORMA. Puentes y viaductos ferroviarios. 2018.

EDING APS. Apoyos de neopreno zunchado. 2020.

PRONTUBEAM. Prontuario de pesos específicos materiales.

ENRIQUE ESCOBAR C., Estructuras de contención. 2017.

CIVILCAD. Programa CivilCAD. Software para ingeniería civil creado por

Ingenieros Proyectistas. Estribos de Puente.

CONSTRUBLOG. Puentes ferroviarios vs carreteros. 2013.

OLIVELLA, S.; VAUNAT, J.; RODRÍGUEZ-DONO, A. 78 2020 Tutorial Manual.

2020.

OLIVELLA, S.; VAUNAT, J.; RODRÍGUEZ-DONO, A. Code_Bright 2020 Users

Guide. 2020.

MANTEROLA, J.; Evolución de los puentes en la historia reciente.


57

10. Anejos

ANEJO A: DIMENSIONAMIENTO DE LOS ESTRIBOS

ANEJO B: CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS


58

ANEJO A: DIMENSIONAMIENTO DE LOS ESTRIBOS

Para calcular una geometría no sobredimensionada se utilizará los datos del suelo con

las peores propiedades mecánicas, por tanto, el suelo blando. A partir de ahí, se utilizará

el programa GEO5 para hallar los resultados del factor de seguridad del vuelco.

En dicho programa se introducirán las cargas que se producen en el caso más

desfavorable para la estructura, que, en este caso, se trata cuando el tren esta justo en

el centro del vano de la losa superior.

I. Cargas muertas de la losa superior.

𝑃 =2,5

𝑘𝑁𝑚3 ∗ 13 𝑚 ∗ 7𝑚 ∗ 1𝑚

2= 113.75 𝑘𝑁

II. Cargas muertas del balasto.

𝑃 =3

𝑘𝑁𝑚3 ∗ 13 𝑚 ∗ 2𝑚 ∗ 0,7𝑚

2= 27,3𝑘𝑁

III. Cargas producidas por el tren en el medio de la losa superior.

𝑃3 = 250𝑘𝑁 + 250𝑘𝑁 + (80𝑘𝑁

𝑚∗ 3,3𝑚) = 764𝑘𝑁

Por tanto, la 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 905,05 𝑘𝑁


59

Pantalla

La geometría definida finalmente, se muestra a continuación:

Con los resultados siguientes:

Tabla A.2: Dimensionamiento pantalla GEO5. Fuente: Elaboración propia.

k1 6

k2 0

k3 1

k4 0

k5 0,7

k6 0

k7 1

k8 0,47

Tabla A.1: Dimensionamiento pantalla GEO5. Fuente: Elaboración propia.

FSV

Blando 1,56

Intermedio 1,54

Duro 1,84

Figura A.1: Figura dimensionamiento. Fuente: GEO5

Figura A.2: Resultados equilibrio pantalla. Fuente: GEO5.


60

Muro L

Queda con una geometría:

k1 5

k2 0

k3 0,7

k4 0

k5 0,4

k6 1,3

k7 1

k8 0,3

Tabla A.3: Dimensionamiento muro L GEO5.

Y con unos resultados:

Tabla A.4: Dimensionamiento pantalla GEO5.

FSV

Blando 1,55

Intermedio 1,58

Duro 1,88

Figura A.3: Figura dimensionamiento. Fuente: GEO5

Figura A.4: Resultados equilibrio muro L. Fuente: GEO5.


61

ANEJO B: CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS

Los cambios producidos en las propiedades mecánicas del suelo son:

P1 Módulo de Young (MPa)

P2 Peso específico (kN/m3)

P10 Angulo de rozamiento (º)

SUELO DURO

ITYCL P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Elasticidad 1 100 0.3

VPSSR 5 3 0.1 1 0.000001 1.55

Phr.Prop 1 3384.62

SUELO INTERMEDIO



VPSSR 5 3 0.1 1 0.000001 1,37

Phr.Prop 1 3076.92

SUELO BLANDO



VPSSR 5 3 0.1 1 0.000001 1.2

Phr.Prop 1 2769.23


62

Cambios producidos en la interfase.

Formulación empleada para el ángulo de rozamiento (P10).

𝑀 =6𝑠𝑒𝑛(ф)

3 − 𝑠𝑒𝑛(ф)

INTERFASE SUELO DURO



VPSSR 5 3 0.1 1 0.000001 1.29

Phr.Prop 1 3384.62

INTERFASE SUELO INTERMEDIO


Elasticidad 1 44.8 0.45

VPSSR 5 3 0.1 1 0.000001 1.13

Phr.Prop 1 3076.92

INTERFASE SUELO BLANDO


Elasticidad 1 25.6 0.45

VPSSR 5 3 0.1 1 0.000001 0.95

Phr.Prop 1 2769.23


63

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ANÁLISIS NUMÉRICO DE DIFRERENTES ALTERNATIVAS DE …