Un ferrocarril es una fuente de vibraciones que nunca se detiene, y la energía que libera va en dos direcciones. Hacia adentro, en las obras que sostienen la vía, y hacia afuera, en el terreno y en los edificios que se encuentran junto a la línea. Un vibrómetro cuantifica ambas direcciones de esa energía observando la velocidad a la que se mueve un punto de una estructura.

Los dos problemas de las vibraciones ferroviarias

Los ferrocarriles tienen dos problemas causados por las vibraciones. El primero es la fatiga, cuando la energía se dirige hacia adentro. Estructuras como los puentes ferroviarios o los muros de contención reciben la carga de los ejes que pasan sobre ellas. La excitación es incesante y de banda estrecha, dominada por el contacto rueda/riel y agudizada por defectos singulares como los planos de rueda (wheel flats), las juntas de riel, las soldaduras y los desvíos.

El segundo problema, cuando la energía se dirige hacia afuera, concierne al entorno del ferrocarril. Cuando las vibraciones transmitidas por el terreno se propagan desde la vía hacia los edificios cercanos, molestan a las personas y, con amplitudes mayores cerca de la línea, amenazan la fábrica de los edificios más antiguos. Aunque los niveles típicos son modestos, los servicios de alta velocidad pueden hacer que el PPV supere los 0.8 mm/s cerca del riel.

Qué mide un vibrómetro en un ferrocarril

¿Qué es entonces el PPV? Es la velocidad instantánea pico de un punto durante un evento, reportada por eje en mm/s. Es la magnitud a la que se refieren los estándares de evaluación de daño, y por eso un vibrómetro es mejor que un acelerómetro para la conformidad (más que para la dinámica). Por ejemplo, el DECKVBR-STD de Move Solutions resuelve 0.003 mm/s con un rango de hasta ±100 mm/s en una banda de 1 a 100 Hz, que incluye la parte del espectro de vibraciones ferroviarias relevante para el daño estructural y la respuesta humana.

El rango de ±100 mm/s es importante, ya que cubre la energía estructuralmente relevante sin hacer que el sensor sea demasiado sensible o demasiado genérico. Las vibraciones transmitidas por el terreno por los trenes, por ejemplo, llevan la mayor parte de su energía estructuralmente relevante por debajo de unos 80 Hz, mientras que el contenido más alto y audible que se convierte en ruido sólido se atenúa por encima de ese valor. Las frecuencias más altas que esta no son relevantes para los estándares de daño, así que no quedan cubiertas por este rango.

Los estándares para ferrocarriles

La ISO 14837-1 es la referencia específica para ferrocarriles, y ofrece una guía general sobre el ruido y las vibraciones transmitidos por el terreno por los sistemas ferroviarios, los factores, los parámetros y los métodos de predicción a considerar, con partes complementarias que cubren el procedimiento de medición en campo.

Para la evaluación del daño en los edificios junto a la línea, los límites provienen de la DIN 4150-3 y, en Italia, de la UNI 9916. La DIN 4150-3 es la que la mayoría de los proyectos toma por defecto, porque establece límites de velocidad distintos para las estructuras industriales, residenciales y sensibles o históricas, ponderándolos en función de la frecuencia. En la práctica esto significa que un único umbral de alarma sobre el PPV rara vez es la configuración correcta en una línea. Las alarmas deben fijarse por clase de estructura y respecto a la frecuencia dominante que el tráfico de trenes produce en ese punto.

Implementar el monitoreo ferroviario

El acceso al ferrocarril es uno de los puntos más críticos de una instalación, ya que no se puede excavar para tender cable a lo largo de una línea en servicio. Las ventanas de interrupción en las que se permite acercarse a las vías son cortas, costosas y por lo general nocturnas. Por eso los sensores inalámbricos, que requieren muy poco trabajo, son preferibles en las vías. Un vibrómetro inalámbrico puede instalarse en una sola ventana de interrupción, fijado a la estructura, y luego funcionar durante años con su propia batería mientras transmite a una plataforma de datos.

Dónde va el sensor depende del problema, interno o externo, que haya que medir. Para el caso de la fatiga interna, el vibrómetro va sobre la obra bajo carga, es decir, por ejemplo, el intradós en el centro del vano de un puente ferroviario. Para el caso del impacto externo, va sobre la cimentación o la planta baja del edificio afectado más cercano, a menudo una propiedad que el ferrocarril no posee, lo que añade una negociación de acceso.

Preguntas frecuentes

Para un puente ferroviario, ¿quiero un vibrómetro o un acelerómetro?

Ambos, para preguntas distintas. El vibrómetro reporta el PPV que el tráfico impone, que es lo que necesita un caso de conformidad o de límite de daño. El acelerómetro que ejecuta el análisis modal te dice si el tablero está perdiendo rigidez con los años, que es el caso de la salud estructural. En un puente ferroviario muy transitado que implica consecuencias reales si falla, desplegaríamos un DECKVBR-STD para el cuadro de la carga impuesta y un DECKAXE-SHM para la tendencia modal, no uno en lugar del otro.

¿Dónde va concretamente el vibrómetro, en la estructura o en el muro del vecino?

Depende del problema que estés resolviendo. Para proteger la obra ferroviaria, el nodo se monta sobre la obra bajo carga, así que el intradós del puente, la alcantarilla, el fuste del muro o la cimentación del poste. Para defenderse de una queja o de una reclamación de daños por parte de un edificio de línea, se monta sobre la cimentación de ese edificio, lo que por lo general implica negociar el acceso a la propiedad.

¿Un solo umbral de PPV funciona para una línea que opera tanto trenes de carga como de pasajeros?

Los servicios de carga y los de pasajeros de alta velocidad producen amplitudes distintas y frecuencias dominantes distintas, y la DIN 4150-3 ya espera que se lea el PPV en función de la frecuencia y de la clase de la estructura receptora. Un umbral plano o genera alarmas de molestia con los trenes de carga más pesados, o tiene un rango demasiado alto para captar los eventos. Las alarmas deben fijarse por estructura y por tipo de tráfico.

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