Este trabajo de investigación es la primera parte de un completo estudio de la influencia del viento lateral sobre los trenes de alta velocidad. En este artículo se recogen los resultados del análisis con dinámica de fluidos computacional que han permitido estudiar los efectos del viento lateral en diferentes ámbitos, evaluando la eficiencia de barreras de formas simples

Brunel Vázquez, Juan Andrés

Sanz Bobi, Juan de Dios

Suárez Esteban, Berta

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Efectos perjudiciales del viento lateral en la circulación de trenes de alta velocidad, propuesta y análisis de diferentes barreras como medidas de mitigación.

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

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Efectos perjudiciales del viento lateral en la circulación de 
trenes de alta velocidad, propuesta y análisis de diferentes 
barreras como medidas de mitigación. 
 
Juan de Dios Sanz Bobi  
Profesor, Universidad Politécnica de Madrid, España 
Berta Suarez Esteban 
Jefe de Área de dinámica Ferroviaria, CITEF-UPM, España 
Juan Andrés Brunel Vázquez  
Ingeniero de proyectos, CITEF-UPM, España 
 
 
RESUMEN 
 
Este trabajo de investigación es la primera parte de un completo estudio de la influencia del 
viento lateral sobre los trenes de alta velocidad. En este artículo se recogen los resultados del 
análisis con dinámica de fluidos computacional que han permitido estudiar los efectos del 
viento lateral en diferentes ámbitos, evaluando la eficiencia de barreras de formas simples. 
 
1. INTRODUCCIÓN 
 
El presente estudio se encuadra dentro del área de dinámica y medidas de seguridad 
ferroviaria, en concreto en el estudio de medidas de mitigación de los efectos perjudiciales del 
viento lateral.  Este trabajo surge con el objetivo de estudiar los efectos perjudiciales del viento 
lateral en diferentes escenarios y evaluar en que medida las barreras para-viento actuales son 
eficaces de cara a mitigar estos efectos. 
 
El trabajo ha sido desarrollado en el Centro de Investigación en Tecnologías Ferroviarias 
(CITEF), centro ligado a la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la 
Universidad Politécnica de Madrid. 
 
1.1 Antecedentes 
Con el aumento de la velocidad de circulación en los 
ferrocarriles y su aligeramiento en cuanto al peso por 
eje, es cada vez más importante el efecto de las cargas 
aerodinámicas producidas por los vientos laterales sobre 
los trenes. Estos causan inestabilidades en el equilibrio 
lateral del vehículo que perturban la circulación del tren, 
pudiendo causar daños en las instalaciones, o incluso 
accidentes por vuelco o descarrilamiento. 
Figura 1: Diagrama de 
velocidades absolutas y relativas 
sobre el tren. 
   .  
 
 
La velocidad relativa del viento con respecto del tren (vector rojo, Figura 1 ) depende 
directamente de la velocidad del tren y de la velocidad del viento. El desarrollo tecnológico del 
tren y sus infraestructuras en los últimos años no ha hecho más que acrecentar el problema, ya 
que las velocidades de marcha han aumentado de manera considerable, y las infraestructuras 
cada día cuentan con más tramos en viaducto y sobre altos terraplenes que acrecientan los 
efectos perjudiciales del viento lateral (Baker, C.J. y Sterling, M., 2003; Barcala, M.A., 2005). 
 
La disposición de barreras en los laterales de las vías es una de las contramedidas más eficaces 
y estudiadas (Yun, S.H, 2006; Bettle, J. 2003), si bien su diseño es muy complejo, ya que 
pueden perturbar la corriente de viento provocando efectos perjudiciales. Además es una 
medida cara, y es por ello que su empleo aún no es muy común salvo en grandes viaductos. 
 
1.2 Objetivos del presente estudio. 
El objetivo principal de este trabajo es realizar un estudio previo del fenómeno en el que se 
evalúen las características del viento lateral en el entorno de diversos tipos de plataforma 
ferroviaria, de trenes y de escenarios, con el fin de cuantificar en qué medida estas diferencias 
afectan a los esfuerzos que actúan sobre cada tren y acotar el principal parámetro de las 
barreras para-viento, la altura, obteniendo una estimación de los valores más eficaces. 
 
La seguridad de los trenes frente al viento lateral es un problema multidisciplinar, que 
involucra a la dinámica del vehículo y a su diseño aerodinámico. En la mayoría de los casos 
requiere de una evaluación de riesgo que tenga en cuenta estos efectos combinados en un tren 
que funciona sobre una línea específica, y no se puede abordar el problema de manera general. 
Por ello se va a centrar el estudio en la línea de Alta Velocidad Madrid- Barcelona y en los 
trenes de Alta Velocidad que efectúan servicios en ella.  
 
Estos resultados están sirviendo, y servirán para el planteamiento y desarrollo de otros trabajos 
(Sanz J.D, 2009) donde se empleen los datos obtenidos para el desarrollo de infraestructuras o 
material rodante más eficaces a la hora de reducir los efectos del viento lateral.  
 
2. ACERCAMIENTO AL MODELO. 
 
2.1 Descripción del entorno. 
Como se ha indicado, se ha centrado el estudio en la línea de alta velocidad Madrid- 
Barcelona. Algunos tramos de esta línea tienen limitada su velocidad un número importante de 
días al año porque discurren por zonas donde los fuertes vientos son muy comunes (Barrado, J. 
y  Lozano, F.J., 2000; Martínez, J.C., 2008). Se han estudiado los dos trenes de Alta Velocidad 
de segunda generación que prestan servicios en esta línea, uno es el tren TALGO 350 (Serie 
102 RENFE) y el otro el SIEMENS Velaro E (Serie 103 RENFE). 
 
Ambos son trenes que alcanzan velocidades superiores a los 300 km/h en explotación 
comercial y de morfología muy diferente, uno de formas cuadradas y  otro de formas  más 
   .  
 
 
redondeadas y más alto. Esto enriquece el estudio y amplía 
las posibilidades de comparación. En la Figura 2 se puede 
observar que la forma del perfil de los dos trenes es muy 
diferente. 
 
Se han simulado las distintas alternativas posibles dentro de 
las infraestructuras de esta línea de alta velocidad, vías sobre 
viaducto y vías sobre terreno firme (Arriba y abajo 
respectivamente en la Figura2). También se han tenido en 
cuenta los dos emplazamientos posibles en vías de dos 
sentidos (vía de barlovento, de donde sopla el viento, y vía de 
sotavento, el contrario).  
 
2.2 Planteamiento general de los ensayos. 
Para el desarrollo de los objetivos del proyecto se ha planteado un estudio en base a 
simulaciones con un programa de CFD (Computer Fluid Dynamics). Se ha realizado un 
planteamiento del problema como un análisis bidimensional, que se fundamenta en el hecho de 
que lo que se pretende es una comparación de diferentes medidas de mitigación de los efectos 
del viento lateral, y no un acercamiento a la dinámica del tren frente a estos vientos. 
 
 
Figura 3: Vista esquemática del dominio computacional seleccionado para el estudio. 
 
El dominio en el que se establecerán los análisis es un cuadrilátero de 300 m de ancho y 70 m 
de alto que representa el corte transversal de la vía y sus alrededores. La figura 3  muestra el 
dominio computacional así como las principales condiciones de contorno que lo definen. Se 
fijan unas condiciones de contorno tipo para este tipo de simulaciones en base a las normas 
que rigen (Directiva 2004/50/CE). Se define una entrada de aire de velocidad constante, una 
salida a presión atmosférica y el resto de condiciones de pared con sus respectivas rugosidades 
acorde con la normativa citada. 
 
Con el fin de obtener unos resultados más precisos, el mallado empleado no es regular; en las 
zonas donde el interés es mayor (zona cercana al tren y la infraestructura) se ha realizado un 
mallado más fino. Las celdas del mallado son triangulares, a excepción de la zona alrededor de 
la superficie del tren donde se optó por un mallado rectangular que es más preciso y regular.  
Figura 2: Esquema de los dos 
escenarios simulados. 
   .  
 
 
 
Figura 4: Vista general del mallado para el caso de terraplén (análogo para las vías en 
viaducto). Detalle del mallado alrededor del tren. 
 
Además el programa permite una mejora del mallado en función de las zonas donde los 
gradientes (de presión, de velocidad, etc.) son mayores, herramienta que fue empleada para 
realizar un mallado que dio resultados más exactos en las zonas más comprometidas 
(principalmente en las esquinas del perfil que representa el tren). 
 
2.3 Acercamiento teórico. 
Para evaluar los efectos del viento lateral sobre los trenes se planteo un cálculo de las fuerzas 
que a causa del viento afectan al tren. Estas fuerzas aerodinámicas se representan según la 
siguiente ecuación 1: 
 
2...
2
1
UACF aaerod                                                    (1) 
 
Donde ρ es la densidad del aire, A es el área frontal sobre la 
que incide el viento y U su velocidad en m/s. Ca es el 
coeficiente de resistencia aerodinámica del objeto sobre el 
que se calcula la fuerza. En base a esta fórmula el programa 
de CFD calcula las fuerzas sobre el tren. En este estudio se 
han tenido en cuenta tanto fuerzas laterales (S), como de 
sustentación (L) y de momento respecto del centro del bogie 
(Mov) de la rueda más alejada de donde sopla el viento 
(Mrv). (Iwnicki, S., 2006). 
 
 
Para comparar entre las diferentes situaciones estudiadas (dos tipos de trenes diferentes y dos 
tipos de infraestructura, viaducto y terraplén) se ha optado por emplear los coeficientes 
adimensionales, que permiten comparar diferentes situaciones entre si. Estos coeficientes 
vienen definidos por las ecuaciones 2.  
 
WHU
m
C
WU
l
CC
HU
s
CC vmovYlXs
....2/1...2/1...2/1 2
0
22



    (2) 
 
Figura 5: Esquema de fuerzas 
sobre el tren. 
   .  
 
 
El más importante de cara a este estudio es el de afectación lateral (Cx), ya que se busca un 
estudio de los esfuerzos laterales sobre el tren frente a vientos cruzados. Además también se 
estudió el coeficiente Cy asociado a la sustentación, y los mapas de presiones y de vectores de 
velocidad que permiten observar los puntos donde se crean mayores presiones y observar las 
estelas. 
 
3. SIMULACIONES Y ANÁLISIS 
Los ensayos  caracterizan la respuesta de 
los dos trenes en diferentes situaciones, 
ambas vías y sobre ambas infraestructuras. 
Solo se han considerado como protecciones 
barreras simples verticales de diferentes 
alturas en el rango de 0 a 3 m. 
 
Los resultados muestran valores de 
afectación muy dispares en función del tren 
e infraestructuras consideradas. En la 
Figura 6 se representa la evolución del 
coeficiente de afectación lateral Cx en cada 
uno de los ocho casos para diferentes 
alturas de barrera. 
 
Como se aprecia en la gráfica, la afectación lateral en los casos sin barrera (h=0 m) es muy 
dispar, sin embargo, a medida que aumenta la altura de la barrera la afectación converge, 
pudiendo afirmar que la altura óptima de barrera simple para todos los casos se encuentra entre 
1,25 y 1,75 m, que es cuando la afectación lateral se hace cero. Se ha dividido el estudio en 
tres comparaciones donde se contrasta la influencia del tipo de tren, el tipo de infraestructura, y 
la situación del tren en vía de barlovento o de sotavento 
 
En ausencia de barrera de protección, la 
forma del tren es muy relevante de cara a la 
afectación lateral, siendo mucho más 
efectivas las formas redondeadas en la parte 
alta del tren, por tanto, la instalación de 
barreras será más eficaz de cara a proteger 
al tren de formas cuadradas. Para ilustrar 
esta afirmación, las siguientes figuras 
muestran que con altura de barrera cero, el 
tren cuadrado, por su forma poco 
aerodinámica guía peor las líneas de flujo, 
lo que provoca un estancamiento de estas 
que hace que aumente la presión, y en 
consecuencia, que el Cx sea mucho mayor.  
 
El diseño de trenes como el Serie 103, de 
formas más redondeadas, resulta más eficaz 
Figura 6: Representación de Cx (eje X) en 
función de la altura de barrera simple (eje Y) 
para los ocho modelos estudiados. 
Figura 7: Mapas de vectores velocidad 
   .  
 
 
para luchar contra los efectos del viento lateral, ya que su perfil más aerodinámico mejora sus 
prestaciones, haciéndolo menos vulnerable, siempre y cuando su peso permita hacer 
despreciables los efectos de la sustentación, que es mucho mayor que para el tren de formas 
cuadradas. 
 
Además, también se observa que sin barrera de protección, los trenes que circulan sobre un 
viaducto sufren más los efectos del viento lateral, y por tanto se harán más necesarias las 
medidas correctoras, algo que ya confirman los resultados de otros trabajos recogidos en el 
apartado de antecedentes. Sin embargo al aumentar el detalle del análisis, se observa, que a 
pesar de que las vías en viaducto están más afectadas por el viento lateral, para ambos trenes  
el rango de altura óptima (1,5 m a 1,75 m) coincide tanto en vías sobre viaducto como en vías 
sobre terraplén. 
 
Los trenes situados en la vía de sotavento se ven más beneficiados con la instalación de 
barreras protectoras, ya que su Cx y Cy disminuye más que para los trenes a barlovento y 
alcanzan óptimos con alturas de barreras inferiores. 
 
Al respecto de este último punto se 
puede sacar otra importante conclusión, 
las condiciones de altura de barrera que 
son óptimas para un determinado tren 
situado en barlovento, no lo son para el 
mismo tren situado a sotavento ni para 
un tren diferente. Esto se debe a que 
barreras óptimas para un tren en vía de 
barlovento crean depresiones, que 
provocan que el tren en vía de 
sotavento se vea forzado a 
contraviento. Por tanto si se diseña una 
barrera de altura suficiente como para 
proteger al tren de la vía de barlovento, 
se conseguirá un efecto contrario al 
deseado sobre el tren situado en la vía 
de sotavento, que se verá 
considerablemente forzado a 
contraviento. 
 
En el ejemplo de la Figura 8, realizado con valores aproximados, en la primera imagen el tren 
se enfrenta al viento lateral sin barrera, y se considera la fuerza lateral que sufre como el 100% 
que puede afectarle en ese modelo. Al colocar una barrera de cierta altura esta afectación 
disminuye notablemente, haciendo que el tren se encuentre más protegido frente al viento. 
Ahora bien, si se mantiene la barrera y se lleva al tren a la vía de sotavento, la afectación ha 
cambiado de sentido, y aunque es de bajo valor absoluto, existe. 
 
Sucede entonces que la vía de barlovento responde muy bien ante la colocación de barreras 
protectoras simples, pero en la vía de sotavento los resultados no son tan buenos como cabría 
esperar. Por otro lado, en todos los casos los valores de Cy que representan la sustentación, 
mejoran con la instalación de barreras, sobre todo para los trenes situados a sotavento. 
 
Figura 8: Representación a modo de ejemplo del 
efecto de depresión que fuerza al tren de la vía de 
sotavento (derecha) a contraviento. Valores 
aproximados de fuerza en tanto por ciento respecto 
a una fuerza total sin barrera. 
   .  
 
 
Por este motivo, en futuros desarrollos, se deben buscar modelos de barreras que por sus 
características morfológicas logren mitigar el efecto de vacío que fuerza al tren en sentido 
contrario al viento, sobre todo cuando este se sitúa en la vía de sotavento. Las barreras tienen 
que conseguir un equilibrio entre la protección de ambos trenes situados en las dos vías. 
 
3. CONCLUSIONES. 
En este trabajo de investigación se ha realizado un completo estudio sobre la afectación del 
fenómeno del viento lateral, en base a simulaciones con CFD, realizándose un eficaz estudio 
en el que se han evaluado las características del viento lateral en el entorno de los diferentes 
tipos de plataforma ferroviaria, de trenes y de escenarios, consiguiéndose cuantificar, en qué 
medida estas diferencias afectan a los esfuerzos que actúan sobre cada tren. 
 
Se han recabado una gran cantidad de datos, se han acotado muchos de los valores influyentes, 
y se han estudiado las soluciones que se están empleando actualmente en forma de barreras 
verticales simples. En el estudio se ha podido verificar que estas barreras no son lo 
suficientemente eficaces para proteger todas las circulaciones de la línea de alta velocidad 
planteada.  
 
El estudio se ha realizado en una situación real, centrándose en las características técnicas y 
operativas de una Línea de Alta Velocidad que actualmente se ve afectada por vientos fuertes 
que en ocasiones no permiten la circulación de los trenes a su velocidad máxima. De ahí la 
importancia del trabajo de investigación, que puede servir como punto de partida de otros 
estudios que busquen un diseño no convencional y óptimo de barrera para-viento. 
 
REFERENCIAS. 
 
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Board. Issue number 4, August 11th 2003. 
 
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BARRADO, J. and LOZANO, F.J. (2000). Incidencia de los fenómenos meteorológicos sobre 
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http://oa.upm.es/8180/3/INVE_MEM_2010_81868.pdf

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