Modelos para la interacción dinámica lateral entre viaductos y vehículos ferroviarios de alta velocidad

En este trabajo se proponen modelos num\'ericos para el estudio de la interacción dinámica lateral entre viaductos y vehículos ferroviarios de Alta Velocidad. Los efectos de dinámica vertical, que aparecen en los viaductos al paso de trenes de Alta Velocidad, han sido profusamente estudiados y son bien conocidos hoy en día. Pero, en los últimos diez años, ha aparecido un inter\'es, cada vez mayor, por los fen\'omenos dinámicos laterales que, por lo general, no comprometen la seguridad de la estructura, pero sí la de los vehículos y el confort de los viajeros. Para el estudio de estos efectos laterales se han desarrollado modelos que representan el comportamiento de las estructuras, mediante el m\'etodo de los elementos finitos, y el de los vehículos, mediante sistemas multicuerpo. El acoplamiento entre ambos, pieza fundamental del problema, se realiza mediante elementos de interacción que han sido creados específicamente para este trabajo. Estos elementos tienen en cuenta los movimientos relativos que existen entre los trenes y los puentes, calculan e introducen en la dinámica global del sistema, las fuerzas de contacto que aparecen en las ruedas y los carriles, cuya importancia es crucial en la dinámica lateral de vehículos ferroviarios. Debido a la orografía de España, existen, y se están construyendo, viaductos para las líneas de Alta Velocidad con pilas muy altas, en los que aparecen vientos transversales muy fuertes, y que presentan frecuencias de vibración lateral muy bajas. Los trenes que circulen sobre estas estructuras pueden ser susceptibles de sufrir efectos dinámicos de caracter lateral, y serán el objeto de aplicación de la metodología desarrollada en este trabajo

Efectos dinámicos laterales en vehículos y puentes ferroviarios sometidos a la acción de vientos transversales

En las últimas décadas el aumento de la velocidad y la disminución del peso de los vehículos ferroviarios de alta velocidad ha provocado que aumente su riesgo de vuelco. Además, las exigencias de los trazados de las líneas exige en ocasiones la construcción de viaductos muy altos situados en zonas expuestas a fuertes vientos. Esta combinación puede poner en peligro la seguridad de la circulación. En esta tesis doctoral se estudian los efectos dinámicos que aparecen en los vehículos ferroviarios cuando circulan sobre viaductos en presencia de vientos transversales. Para ello se han desarrollado e implementado una serie de modelos numéricos que permiten estudiar estos efectos de una forma realista y general. Los modelos desarrollados permiten analizar la interacción dinámica tridimensional tren-estructura, formulada mediante coordenadas absolutas en un sistema de referencia inercial, en un contexto de elementos _nitos no lineales. Mediante estos modelos se pueden estudiar de forma realista casos extremos como el vuelco o descarrilamiento de los vehículos. Han sido implementados en Abaqus, utilizando sus capacidades para resolver sistemas multi-cuerpo para el vehículo y elementos finitos para la estructura. La interacción entre el vehículo y la estructura se establece a través del contacto entre rueda y carril. Para ello, se han desarrollado una restricción, que permite establecer la relación cinemática entre el eje ferroviario y la vía, teniendo en cuenta los posibles defectos geométricos de la vía; y un modelo de contacto rueda-carril para establecer la interacción entre el vehículo y la estructura. Las principales características del modelo de contacto son: considera la geometría real de ambos cuerpos de forma tridimensional; permite resolver situaciones en las que el contacto entre rueda y carril se da en más de una zona a la vez; y permite utilizar distintas formulaciones para el cálculo de la tensión tangencial entre ambos cuerpos. Además, se ha desarrollado una metodología para determinar, a partir de formulaciones estocásticas, las historias temporales de cargas aerodinámicas debidas al viento turbulento en estructuras grandes y con pilas altas y flexibles. Esta metodología tiene cuenta la variabilidad espacial de la velocidad de viento, considerando la correlación entre los distintos puntos; considera las componentes de la velocidad del viento en tres dimensiones; y permite el cálculo de la velocidad de viento incidente sobre los vehículos que atraviesan la estructura. La metodología desarrollada en este trabajo ha sido implementada, validada y se ha aplicado a un caso concreto en el que se ha estudiado la respuesta de un tren de alta velocidad, similar al Siemens Velaro, circulando sobre el viaducto del río Ulla en presencia viento cruzado. En este estudio se ha analizado la seguridad y el confort de la circulación y la respuesta dinámica de la estructura cuando el tren cruza el viaducto. During the last decades the increase of the speed and the reduction of the weight of high-speed railway vehicles has led to a rise of the overturn risk. In addition, the design requests of the railway lines require some times the construction of very tall viaducts in strong wind areas. This combination may endanger the traffic safety. In this doctoral thesis the dynamic effects that appear in the railway vehicles when crossing viaducts under strong winds are studied. For this purpose it has been developed and implemented numerical models for studying these effects in a realistic and general way. The developed models allow to analyze the train-structure three-dimensional dynamic interaction, that is formulated by using absolute coordinates in an inertial reference frame within a non-linear finite element framework. By means of these models it is possible to study in a realistic way extreme situations such vehicle overturn or derailment. They have been implemented for Abaqus, by using its capabilities for solving multi-body systems for the vehicle and finite elements for the structure. The interaction between the vehicle and the structure is established through the wheel-rail contact. For this purpose, a constraint has been developed. It allows to establish the kinematic relationship between the railway wheelset and the track, taking into account the track irregularities. In addition, a wheel-rail contact model for establishing the interaction of the vehicle and the structure has been developed. The main features of the contact model are: it considers the real geometry During the last decades the increase of the speed and the reduction of the weight of high-peed railway vehicles has led to a rise of the overturn risk. In addition, the design requests of the railway lines require some times the construction of very tall viaducts in strong wind areas. This combination may endanger the traffic safety. In this doctoral thesis the dynamic effects that appear in the railway vehicles when crossing viaducts under strong winds are studied. For this purpose it has been developed and implemented numerical models for studying these effects in a realistic and general way. The developed models allow to analyze the train-structure three-dimensional dynamic interaction, that is formulated by using absolute coordinates in an inertial reference frame within a non-linear finite element framework. By means of these models it is possible to study in a realistic way extreme situations such vehicle overturn or derailment. They have been implemented for Abaqus, by using its capabilities for solving multi-body systems for the vehicle and finite elements for the structure. The interaction between the vehicle and the structure is established through the wheel-rail contact. For this purpose, a constraint has been developed. It allows to establish the kinematic relationship between the railway wheelset and the track, taking into account the track irregularities. In addition, a wheel-rail contact model for establishing the interaction of the vehicle and the structure has been developed. The main features of the contact model are: it considers the real geometr

Dynamics of high-speed railway bridges: review of design issues and new research for lateral dynamics

Revisión y puesta al día de la publicaciones relacionadas con el diseño de puentes de ferrocarril de alta velocidad y nuevas investigaciones sobre dinámica lateral

Coupled models for the dynamics of bridges under high-speed rail traffic

The dynamic effects of high-speed trains on viaducts are important issues for the design of the structures, as well as for determining safe running conditions of trains. In this work we start by reviewing the relevance of some basic moving load models for the dynamic action of vertical traffic loads. The study of lateral dynamics of running trains on bridges is of importance mainly for the safety of the traffic, and may be relevant for laterally compliant bridges. These studies require 3D coupled vehicle-bridge models and consideration of wheel to rail contact. We describe here a fully nonlinear coupled model, formulated in absolute coordinates and incorporated into a commercial finite element framework. An application example is presented for a vehicle subject to a strong wind gust traversing a bridge, showing the relevance of the nonlinear wheel-rail contact model as well as the interaction between bridge and vehicle

Dynamic analysis of road vehicle-bridge systems under turbulent wind by means of Finite Element Models

When an automobile passes over a bridge dynamic effects are produced in vehicle and structure. In addition, the bridge itself moves when exposed to the wind inducing dynamic effects on the vehicle that have to be considered. The main objective of this work is to understand the influence of the different parameters concerning the vehicle, the bridge, the road roughness or the wind in the comfort and safety of the vehicles when crossing bridges. Non linear finite element models are used for structures and multibody dynamic models are employed for vehicles. The interaction between the vehicle and the bridge is considered by contact methods. Road roughness is described by the power spectral density (PSD) proposed by the ISO 8608. To consider that the profiles under right and left wheels are different but not independent, the hypotheses of homogeneity and isotropy are assumed. To generate the wind velocity history along the road the Sandia method is employed. The global problem is solved by means of the finite element method. First the methodology for modelling the interaction is verified in a benchmark. Following, the case of a vehicle running along a rigid road and subjected to the action of the turbulent wind is analyzed and the road roughness is incorporated in a following step. Finally the flexibility of the bridge is added to the model by making the vehicle run over the structure. The application of this methodology will allow to understand the influence of the different parameters in the comfort and safety of road vehicles crossing wind exposed bridges. Those results will help to recommend measures to make the traffic over bridges more reliable without affecting the structural integrity of the viaduc

MATHICSE Technical Report: Volumetric Untrimming: Precise decomposition of trimmed trivariates into tensor products

3D objects, modeled using Computer Aided Geometric Design (CAGD) tools, are traditionally represented using a boundary representation (B-rep), and typically use spline functions to parameterize these boundary surfaces. However, recent development in physical analysis, in isogeometric analysis (IGA) in specic, necessitates a volumetric parametrization of the interior of the object. IGA is performed directly by integrating over the spline spaces of the volumetric spline representation of the object. Typically, tensor-product B-spline trivariates are used to parameterize the volumetric domain. A general 3D object, that can be modeled in contemporary B-rep CAD tools, is typically represented using trimmed B-spline surfaces. In order to capture the generality of the contemporary B-rep modeling space, while supporting IGA needs, Massarwi and Elber (2016) proposed the use of trimmed trivariates volumetric elements. However, the use of trimmed geometry makes the integration process more difficult since integration over trimmed B-spline basis functions is a highly challenging task Xu et al. (2017). In this work, we propose an algorithm that precisely decomposes a trimmed B-spline trivariate into a set of (singular only on the boundary) tensor-product B-spline trivariates, that can be utilized to simplify the integration process, in IGA. The trimmed B-spline trivariate is first subdivided into a set of trimmed B--spline trivariates, at all its internal knots. Then, each trimmed Bezier trivariate, is decomposed into a set of mutually exclusive tensor-product B-spline trivariates, that precisely cover the entire trimmed domain. This process, denoted untrimming, can be performed in either the Euclidean space or the parametric space of the trivariate. We present examples of the algorithm on complex trimmed trivariates' based geometry, and we demonstrate the effectiveness of the method by applying IGA over the (untrimmed) results

MATHICSE Technical Report : Isogeometric Analysis on V-reps: first results

Inspired by the introduction of Volumetric Modeling via volumetric representations (V-reps) by Massarwi and Elber in 2016, in this paper we present a novel approach for the construction of isogeometric numerical methods for elliptic PDEs on trimmed geometries, seen as a special class of more general V-reps. We develop tools for approximation and local re-parametrization of trimmed elements for three dimensional problems, and we provide a theoretical framework that fully justify our algorithmic choices. We validate our approach both on two and three dimensional problems, for diffuusion and linear elasticity

Usos pedagógicos de moodle en la docencia universitaria desde la perspectiva de los estudiantes

El objetivo del artículo es conocer, analizar y comparar las percepciones de los estudiantes sobre los usos de este sistema de gestión de cursos (Moodle) en la docencia universitaria

Análisis estructural de algunas obras de Félix Candela mediante modelos de Elementos Finitos

Por su facilidad constructiva y la relativa sencillez de su análisis estructural, el paraboloide hiperbólico de hormigón armado es una forma profusamente utilizada por el arquitecto Félix Candela (1910-1997). En este artículo se analiza el comportamiento de varias de esas obras. Concretamente dos paralelogramos alabeados [1], el restaurante Los Manantiales (México) y la Iglesia de Guadalupe (Madrid). Se explica la geometría del paraboloide hiperbólico y se describe brevemente el análisis estructural presentado por Félix Candela. Los resultados presentados posteriormente confirman la distribución de esfuerzos descrita por Candela. En todos los casos estudiados las tensiones resultan ser admisibles para el hormigón. Se ha verificado también el comportamiento de membrana de las estructuras mediante un factor cuyo valor oscila entre 0 (flexión pura) y 1 (membrana pura). El comportamiento se aleja o acerca al de membrana pura en función de las condiciones de apoyo como ya recalcó el arquitecto madrileñ

Estabilidad del tráfico en viaductos de carretera y ferrocarril

Cuando un automóvil o un tren circula sobre un viaducto se producen efectos dinámicos que, además de aumentar los esfuerzos que ha de soportar el puente, afectan a los propios vehículos. Los fenómenos de vibración lateral en los viaductos de ferrocarril están contemplados de manera muy sucinta en la normativa y pueden afectar a la seguridad y comodidad del tráfico. En el caso de las carreteras, esa dinámica también puede contribuir al riesgo de accidente y al aumento de la sensación de incomodidad, sobre todo si se considera la presencia de vientos laterales. La preocupación por estos fenómenos queda reflejada en el número de artículos publicados en revistas científicas en los últimos años. Para este trabajo se han desarrollado modelos de interacción dinámica que representan el comportamiento de las estructuras, mediante el método de los elementos finitos, y el de los vehículos, mediante sistemas multicuerpo