Innovación en la integración urbana: atenuación del ruido y las vibraciones emanadas de los ferrocarriles que circulan por los centros urbanos

Thomas Lorent, Director de Tránsito en Pandrol, examina el problema del ruido y las vibraciones inherentes al transporte ferroviario y cómo las innovaciones más avanzadas en el diseño de vía permitirán a los residentes en áreas próximas a líneas férreas vivir en armonía con el ferrocarril.

Cada vez con mayor frecuencia, nuestras pequeñas ciudades y grandes urbes se están convirtiendo en lugares en que las personas desean vivir, además de trabajar, siendo cada vez más quienes desean residir en puntos próximos a líneas férreas. Conforme a la publicación de Naciones Unidas ‘World Urbanization Prospects Highlights 2018’ (Principales Perspectivas de Urbanización Mundial 2018), el 55% de la población mundial reside ahora, en 2018, en áreas urbanas, en comparación con 1950, año en que la cifra se situaba en tan solo el 30%. Se prevé que para 2050, el 68% de la población global vivirá en pequeñas ciudades o grandes urbes. Por tanto, el reto consiste en asegurar una urbanización sostenible, ya que estos 2.500 millones de nuevos ciudadanos se trasladarán a vivir en ciudades hasta 2050.

En las pequeñas ciudades y grandes urbes de todo el mundo están surgiendo nuevos modelos residenciales que atraen a las personas hacia áreas residenciales próximas a la red de transporte que les permite moverse por la región. Al mismo tiempo, las Administraciones están promoviendo un mayor uso del transporte sostenible dentro y en torno a las ciudades y viajar en tren, tranvía o metro es percibido por una mayoría como más eficiente y ecológicamente razonable en comparación con el uso de vehículos a motor, ya que no crean atascos de tráfico y no necesitan quemar combustibles fósiles para la producción de energía, dando lugar a menores emisiones de CO₂. Todos estos factores han propiciado un acercamiento de los residentes y la red de transporte ferroviario y, como consecuencia de una densidad de población urbana cada vez mayor, esto ha contribuido al aumento de las quejas por los niveles de ruido y vibraciones procedentes de la red ferroviaria. A ello se añade que, al circular ahora numerosos servicios ferroviarios las 24 horas del día, existe también el problema del ruido nocturno en algunas ciudades.

¿Cuál es el origen del ruido y las vibraciones?

El principio que sirvió de fundamento al transporte ferroviario es el sólido contacto acero-acero de baja fricción entre la rueda y el carril. Ésta es la auténtica razón de la eficiencia del transporte ferroviario (escasas necesidades de mantenimiento, alta carga por eje…), pero también su principal lastre, ya que produce ruido y vibraciones.

El ruido directo en el transporte urbano se debe principalmente al ruido de rodadura que surge de las ruedas de un tren y de la vía como consecuencia de sus vibraciones. Este ruido se propaga a través del aire, desde la línea férrea hasta las personas ubicadas en sus cercanías.

Pero ésta no es la única molestia. Las vibraciones producidas por el contacto sólido entre el acero de las ruedas y el acero de la vía se transmiten al suelo y tales vibraciones llegan a los edificios cercanos, en los cuales se “convierten” en ruido secundario cuando las paredes y los suelos vibran y actúan como una especie de altavoces gigantes. Este ruido secundario se denomina ruido propagado por estructuras sólidas y constituye un problema para los vecinos que habitan en las inmediaciones de vías férreas: ¡incluso con las ventanas cerradas!

Con vías completamente nuevas y material rodante nuevo, es probable que el ruido sea mínimo pero, sin embargo, tan pronto como haya incluso ligeras imperfecciones en la geometría y la superficie de la rueda, o de la vía, surgen vibraciones. Pronto, éstas son percibidas por los residentes locales, dando lugar a quejas.

Como todos los operarios ferroviarios saben, los maquinistas que frenan demasiado fuerte o la presencia de hojas de árboles en la línea, que hacen que las superficies de los carriles sea resbaladiza, pueden provocar el patinaje de las ruedas, dando lugar a planos de rueda que ocasionan el típico ‘bamp-bamp-bamp’ que frecuentemente oyen los pasajeros de un tren y los residentes locales a medida que las ruedas dañadas impactan sobre los duros carriles bajo las mismas.

Las curvas cerradas en el trazado de la vía pueden ocasionar importantes problemas para quienes viven cerca de las vías, debido a los chirridos que se escuchan. Esto puede resultar incluso más problemático por las mañanas, cuando cada vehículo que sale del depósito de máquinas, que suele estar lleno de curvas cerradas, genera fuertes chirridos a medida que rueda por la vía en curva.

Sin embargo, el ruido más corriente y algunos podrían denominarlo más irritante es el sonido ‘tac-tac’ procedente de las vías como consecuencia del paso de un tren por un defecto local. Existen varias causas potenciales. Un maquinista que acelera excesivamente en un trayecto de vía puede provocar el patinaje de la rueda, el cual, a su vez, crea una pequeña hendidura en la vía. Un carril que ha sido soldado o amolado deficientemente o un carril fijado con bridas también provocará un defecto en la cabeza del carril.

Las zonas con muchas frenadas o aceleraciones y, en algunos casos, el comportamiento de los trenes al paso por las curvas pueden provocar el corrugado del carril, en cuyo caso un defecto se replica a intervalos cortos a lo largo de la vía, creando incluso una perturbación por ruido.

La otra causa importante de ruido y vibraciones es la formada por el ruido y vibraciones que se transmiten a la estructura de un puente o viaducto. Esto da como resultado que la estructura produce un ruido que se propaga por el aire hasta las personas situadas debajo y junto a dicha estructura.

Si hay imprecisiones en la geometría de la vía, como puede ser su alineación, esto puede provocar también vibraciones. Por último, y pese a las apreciables mejoras en su diseño, las agujas y cruzamientos en la vía constituyen una fuente importante de ruido y vibraciones, ya que implican la existencia de huecos y cambios de alineación para guiar las ruedas.

Independientemente de las muchas causas origen de ruidos, una característica común es que una vez los residentes están sensibilizados a los niveles de vibraciones y ruidos que afectan a sus propiedades, debe adoptarse un cambio con medidas significativas para paliar las molestias.

Control de ruido y vibraciones

Existen cuatro métodos, a nivel de vía, para limitar las molestias por ruido y vibraciones a los vecinos.

Éstos son:

• Suministrar un sistema de carriles avanzadísimo
• Monitorizar y realizar debidamente el mantenimiento del sistema de carriles
• Reducir la degradación de la vía añadiendo resiliencia a la vía
• Atenuar el ruido y las vibraciones

En general, el mejor método para atenuar el impacto del ruido y las vibraciones consiste en integrar en el diseño de una vía nueva o modernizada medidas para contrarrestar dichas molestias. Con el ruido y las vibraciones, prevenir es mucho más fácil que lamentar y la atenuación debe considerarse minuciosamente e integrarse en todos los sistemas de tranvías, ferrocarriles y metropolitanos modernos.

Integrar soluciones para contrarrestrar el ruido y las vibraciones en el diseño de la vía

La construcción se debe llevar a cabo minuciosamente para evitar todos aquellos defectos locales que dan lugar a ruido y vibraciones (geometría uniforme de la vía, diseño adecuado de las ruedas e interacción adecuada con el carril, soldadura y amolado de los carriles, resiliencia básica en la vía). Por regla general, a una vía moderna se incorpora un cierto nivel de resiliencia, con el fin de atenuar la transferencia de esfuerzos dinámicos de la rueda/carril al soporte de la vía. Esto proporciona una calidad inicial de la vía que aspira a evitar la generación de vibraciones.

Monitorización de la calidad de la vía y de las ruedas

Para atenuar el ruido y las vibraciones resulta esencial asegurar la calidad y la geometría de la vía. Para lograrlo, se debe monitorizar constantemente el estado de la vía y se deben llevar a cabo de modo eficiente cualesquiera tareas de mantenimiento y reparaciones para reducir las vibraciones y evitar que éstas empeoren o provoquen problemas secundarios en la vía. El kit de soldadura de Reparación de Defectos en la Cabeza (HWR) de Pandrol constituye una solución popular, al ser rápida y rentable a la hora de reparar defectos en la cabeza del carril y reducir de manera significativa los costos de mantenimiento de las redes ferroviarias modernas. El proceso HWR abre nuevas vías al mantenimiento ferroviario al permitir la eliminación de defectos de hasta 1 pulgada, en función del perfil del carril. Por ejemplo, la reparación de soldaduras a tope por chisporroteo, que con frecuencia presentan grietas en V (squats).

Se debe llevar a cabo una monitorización activa de las ruedas para garantizar que los ejes montados del tren se mantengan en buen estado de reparación y no provoquen daños a la vía. Este problema dio lugar al desarrollo de WheelChex®, que permite a los directivos de compañías ferroviarias comprender mejor el comportamiento de las ruedas de trenes o metropolitanos y permite implantar planes adecuados de diseño y mantenimiento. WheelChex® es un dispositivo de medida individual que integra tres tecnologías de medida y mide la aceleración del carril tanto vertical como lateralmente, así como la temperatura en el núcleo del carril.

Control de Calidad de Vía por resiliencia

Además del mantenimiento de la vía y las ruedas, la introducción de un medio elástico con características elásticas específicas, p. ej., resiliencia de la vía, ayudará a mantener la calidad de la vía a un nivel superior a lo largo de la vida útil de la misma.

Por ejemplo, en vías con balasto, las Suelas Bajo Traviesa (USP) de Pandrol son sistemas resilientes a medida concebidos para reducir las necesidades de mantenimiento de la vía, aumentar la calidad de la vía y también pueden proporcionar atenuación de vibraciones mediante la fijación de elementos elásticos en la superficie inferior de las traviesas.

Al poseer una rigidez bien definida y/o soporte continuo del carril, se reducirá también el corrugado del carril y el subsiguiente aumento de vibraciones así como la necesidad de amolado durante el mantenimiento. Esto se puede lograr gracias al sistema QTrack® con soporte continuo de Pandrol o a sistemas de placas de asiento de alta resiliencia como el Vanguard de Pandrol y el DFF ADH Adherizado de Pandrol.

Principios de aislamiento de la vía

Si estas tres primeras medidas no resultan suficientes, es preciso adoptar medidas adicionales para atenuar las vibraciones generadas por los sistemas ferroviarios. La idea básica consiste en crear un sistema elástico de masas en el cual la vía introduce un medio elástico con unas características de elasticidad y amortiguación específicas y que sirve para desacoplar la vía. El resultado es que la energía de las vibraciones permanece en la vía y no se transmite a los vecinos.

Para simular las condiciones y monitorizar la eficiencia de nuestras soluciones, Pandrol desarrolló el software de Modelo Elástico de Vías (Track Elastic Model (TEM)). Este software se puede utilizar también para simular condiciones en la transición entre dos tipos de vía diferentes y para afinar el diseño con el fin de evitar la degradación local y, por tanto, un aumento de las vibraciones.

Existen varios niveles de reducción de las vibraciones que se pueden lograr por diferentes métodos. Éstos van desde la introducción de sujeciones blandas, pasando por la integración de placa en vía flotante muy blanda, en función de las necesidades y condiciones de diseño específicas.

Las soluciones blandas de Pandrol incluyen las placas de asiento VIPA, DFF ADH Adherizada y DEE así como el Bloque con Cazoleta de Caucho y las Suelas Bajo Traviesa.  Estas soluciones contribuyen a reducir el impacto y las vibraciones en aquellas áreas urbanas cuyos requisitos son bajos hasta medios. Las Mantas Bajo Balasto Blandas constituyen otra opción a tener en cuenta en el caso de vía con balasto.

La solución preferida por numerosos metros es el sistema VIPA DRS de Pandrol, que resulta idóneo para su instalación en vías sin balasto y áreas en las cuales se requiere una reducción de las vibraciones y del ruido secundario. Este sistema dispone de una placa de asiento para e-Clip que está montada en una suela con tacos de caucho natural que proporciona la necesaria resiliencia del sistema. Dentro de ciertos límites, esta configuración se puede adaptar para cumplir determinados requisitos de cargas por eje y rigideces. El sistema VIPA DRS se ha instalado en importantes ciudades como Bangkok, Chennai, Delhi, Dubai, Hong Kong, Estambul, Calcuta, Kuala Lumpur, Sao Paulo, Seúl y Singapur.

Para requisitos de atenuación superiores, se recomienda el uso de las soluciones VANGUARD y de Manta bajo Losa Flotante (FSM) de Pandrol.

Vanguard

El sistema de fijación de carril Vanguard de Pandrol posee una rigidez dinámica vertical muy baja que da lugar a altos niveles de aislamiento de las vibraciones. Resulta idóneo para su uso en traviesas de hormigón o madera, vía en placa en puentes, túneles y viaductos. Sus ventajas son que se trata de un sistema de perfil muy bajo, que se puede actualizar fácilmente, con diversos diseños de base de apoyo y brinda altos niveles de ajuste lateral y vertical. Una serie de ciudades, incluidas Barcelona, Madrid, Milán, Londres, Estocolmo, Sidney, Sao Paulo, Filadelfia y Boston, han implementado este sistema en el marco de instalaciones de modernización de sus ferrocarriles. En varios casos, ha quedado demostrado que las reducciones de los niveles de ruido propagado hacia edificios han alcanzado 10 hasta 12 dBA. Esto ha sido suficiente para reducir el ruido a un nivel apenas perceptible y eliminar por completo las quejas del vecindario.

Manta bajo Losa Flotante

Las Mantas bajo Losa Flotante se instalan debajo de la vía en placa con el fin de proporcionar una excelente atenuación de las vibraciones, ya que esto crea un sistema elástico de masas muy eficiente que opera a la perfección tanto en condiciones diurnas (vehículos plenamente cargados) como nocturnas (vehículos vacíos con límites de ruido muy exigentes).

Como ejemplo de ello, el Tranvía de Bruselas STIB-MIVB optó por instalar Mantas bajo Losa Flotante (FSM) de Pandrol para atenuar el ruido y las vibraciones. Se han instalado más de 150.000 m² de mantas FSM en distritos urbanos con fuerte tráfico ferroviario y con un tiempo de intervención limitado. Los requisitos eran extremadamente altos, ya que los residentes locales se quejaban con regularidad del ruido y las vibraciones provocadas por el tranvía en calles estrechas con fuerte tráfico. Desde que se implementó la solución con mantas FSM, el nivel de quejas de los residentes por el ruido y las vibraciones ha sido mínima. Otra serie de ciudades han implementado estas soluciones en todo el mundo, incluidas Chennai, Sidney, Portland, Los Ángeles, Toronto, Atenas, Lisboa, Madrid, Roma, Milán, Florencia, Bergen, Budapest, Szeged, Sofía, Argel, Casablanca, Río de Janeiro, Santiago de Chile.

En las áreas más exigentes, un sistema elástico de masas incluso más eficiente es la Suela bajo Losa Flotante, en la cual las suelas resilientes son sustituidas por suelas discretas más blandas. Esto implica el uso de vía en placa precolada, haciendo que la solución resulte más cara, pero proporciona un nivel magnífico de atenuación de vibraciones y un sistema que es fácil de instalar y renovar. Este sistema resulta ideal en cualquier proyecto de túnel con altas exigencias. La ciudad de Barcelona lleva utilizando este sistema desde finales de los años 1990 a plena satisfacción de sus ciudadanos.

Conclusión

Dado que el transporte ferroviario constituye una parte importante de un sistema de transporte de bajas emisiones de CO2 y contribuye a reducir la congestión del tráfico rodado en un mundo en que ahora más de cuatro mil millones de personas viven en ciudades resulta esencial minimizar el ruido y las vibraciones que dicho transporte provoca en las áreas urbanas.

Un diseño y mantenimiento satisfactorios son elementos clave para lograrlo y se están integrando soluciones eficaces de atenuación del ruido y las vibraciones en las redes ferroviarias nuevas y en las ya existentes en numerosas pequeñas ciudades y grandes urbes, haciendo posible que los residentes convivan pacíficamente con la red ferroviaria.