En mi entrada de hace unas semanas a este blog, El ferrocarril y la velocidad, comentaba los aspectos técnicos más relevantes cuya optimización ha permitido en las últimas décadas conseguir ferrocarriles de alta velocidad utilizando conceptos y métodos básicos del ferrocarril tradicional. Señalaba también algunas limitaciones físicas (propagación de ondas mecánicas en la catenaria, velocidad crítica en ejes de ruedas cónicas, capacidad para filtrar las vibraciones transmitidas al coche de pasajeros…) que se traducen en desafíos para el aumento de las velocidades de diseño y operación. El desgraciado accidente ocurrido en fechas recientes demuestra que el aumento de velocidad requerirá, no sólo superar los desafíos mencionados, sino adecuar los protocolos que garantizan la seguridad. Es más, dependiendo de las conclusiones definitivas a las que llegue la Comisión de Investigación de Accidentes Ferroviarios (CIAF), puede que sea necesario incluso revisarlos para las velocidades actuales.

La seguridad del transporte ferroviario, en general, y el de alta velocidad, en particular, se garantiza siempre que: 1) el control del tráfico sea preciso y fiable, 2) el guiado del vehículo en condiciones dinámicas evite su salida de vía (descarrilamiento), y 3) la capacidad resistente de los elementos críticos, tanto del vehículo como de la vía, preserve su integridad estructural, es decir, no sufra roturas ni deformaciones excesivas. El accidente de Adamuz parece estar relacionado con esto último, pero un breve comentario sobre los otros dos aspectos de la seguridad permite considerar el conjunto.

Control del tráfico

El control del tráfico ferroviario fue una tarea poco automatizada durante muchas décadas. El maquinista sólo recibía información a través de las señales fijas y luminosas en la vía, y las autorizaciones de circulación se expedían de forma rudimentaria con débiles sistemas de comunicación. Hasta los años 70 del siglo pasado no se introdujo en España un sistema para reproducir en cabina las señales de vía y permitir el frenado automático del tren de ser ignoradas. Esta tecnología (Anuncio de Señales y Frenado Automático, ASFA, ver Fig. 1) prestaba poco apoyo a los Factores de Circulación en su toma de decisiones, como quedó fatalmente confirmado en el accidente de Chinchilla de Montearagón (Albacete) en junio de 2003, en el que se despachó un tren de pasajeros por vía única previamente ocupada por un tren de mercancías en sentido contrario. Estos sistemas son claramente inadecuados para velocidades altas. En la línea Madrid – Sevilla se optó por el sistema alemán de control lineal de tren (Linienzugbeeinflussung, LZB), mientras que en las posteriores se decidió instalar el sistema que parece estar consolidándose como estándar en toda Europa (European Train Control System, ETCS, ver Fig. 2). En la actualidad, los trenes que hacen el trayecto Sevilla – Barcelona, por ejemplo, tienen instalados ambos sistemas, aunque pronto bastará con el ETCS que está siendo desplegado con la renovación de la línea a Sevilla.

Con el ECTS, y su integración en el sistema de control del tráfico (European Rail Traffic Management System, ERTMS) el tren y el maquinista conocen las limitaciones de velocidad, también las temporales, así como la pendiente y la localización de trenes precedentes. Es factible que el tren controle la velocidad sin intervención humana obedeciendo las instrucciones del ERTMS. Se trata del equivalente ferroviario del piloto automático aeronáutico. El centro de regulación y control recibe información del circuito de vía en el que se encuentra el tren y gestiona los desvíos en previsión de incorporaciones y cruces. El sistema ha demostrado su fiabilidad en la extensa red de alta velocidad europea, sin que haya trascendido ningún incidente reseñable achacable al ERTMS.

Descarrilamiento

La escasa resistencia a la rodadura de ruedas de acero sobre carril de acero es la característica esencial del ferrocarril. Es la que motivó su desarrollo y propició la invención del guiado pasivo mediante ruedas cónicas. La Figura 3 deja entrever la pequeña área de contacto entre rueda y carril. Es aquí donde se transmiten las fuerzas gravitatorias, además de las de tracción o frenado y guiado. La pestaña, cuya reducida dimensión inquieta al imaginarla a 300 km/h, sólo entra en contacto con cargas laterales elevadas. Existe el riesgo de que la fricción entre carril y pestaña consiga que ésta lo remonte y el eje descarrile. Sin embargo, sencillos análisis de la interacción permiten predecir que la pestaña no sube al carril a menos que el cociente entre la fuerza lateral y “vertical” (perpendicular al plano sobre raíles) supere un umbral que depende de la fricción y la geometría del contacto. En condiciones dinámicas habituales, con niveles de irregularidad lateral admisibles en líneas de alta velocidad, el cociente anterior queda lejos del umbral crítico. Sólo en curvas de radio pequeño o medio (entre 250 m y 800 m, aproximadamente) con aceleraciones laterales no compensadas (las tangentes al plano sobre raíles) elevadas, se podrían tener cocientes cercanos al crítico. Sin embargo, las curvas en líneas de alta velocidad superan, cuando menos, los 4000 m de radio, y la aceleración lateral no compensada es pequeña. Incluso en impactos generados por irregularidades locales excesivas, es difícil acercarse al umbral. Estos puntos críticos, no obstante, deben identificarse y corregirse con diligencia.

Los descarrilamientos reportados en líneas de alta velocidad de Europa son, hasta donde llega la información de la que dispongo, consecuencia de algún otro defecto, y no la causa de origen. En mayo de 2017 descarriló un tren en Brazatortas (Ciudad Real) cuando viajaba a más de 260 km/h. Las primeras imágenes parecían indicar un remonte de carril sin intervención de factores adicionales. Sin embargo, muy pronto se identificó la rotura por fatiga del corazón móvil de un desvío como causa de la salida de un rodal (ver https://www.trenvista.net/incidencias/descarrilamiento-ave-268-kmh-brazatortas/). Las consecuencias pudieron ser dramáticas, pero la fortuna quiso que el carril quedara encajado entre rueda y disco de freno (ver Fig. 4), guiando el rodal hasta que el tren se detuvo sin heridos. La CIAF recomendó sustituir desvíos similares y redefinir sus ciclos de vida útil.

Integridad estructural

El ejemplo anterior demuestra que la seguridad del transporte ferroviario de alta velocidad requiere, como ingrediente primero, garantizar que los elementos críticos no sufren roturas ni deformaciones excesivas. Esta integridad estructural se requiere tanto de elementos en el vehículo (ruedas, ejes, carretones…) como de la infraestructura que lo soporta (carriles, traviesas, desvíos…). Ambos están sometidos a cargas muy elevadas (que pueden acercarse a las 17 toneladas por eje, dependiendo del modelo de tren y nivel de ocupación), oscilantes (debido a las vibraciones) y repetitivas (debido al paso sucesivo de composiciones). Estas características de las cargas, y de las tensiones en las que se traducen, obligan a considerar la fatiga del material como límite más restrictivo.

En junio de 1998, una rueda del tren ICE alemán de alta velocidad desarrolló una grieta por fatiga que terminó por seccionar la llanta cuando viajaba a más de 200 km/h en una zona cercana a la ciudad de Eschede (Baja Sajonia). Con la rueda dañada, el tren no se mantuvo en la vía por mucho tiempo y descarriló, no pudiendo evitar el choque contra los pilares de un paso elevado, lo que agravó el fatal resultado (ver https://en.wikipedia.org/wiki/Eschede_train_disaster). El tren incorporaba ruedas cuyo diseño trataba de filtrar vibraciones para mejorar el confort. Para ello se intercaló un elastómero como elemento de conexión entre la llanta de rodadura y el alma o velo de la rueda. El estado tensional resultante se demostró desfavorable para la nucleación y propagación de grietas. En este elemento, los ciclos de carga coinciden con las revoluciones del eje, de forma que se acumulan centenas de ciclos por kilómetro, llegando a valores muy elevados en poco tiempo. El análisis concluyó que el diseño no es apropiado para alta velocidad y, en consecuencia, no se ha vuelto a utilizar en estos vehículos.

Como comenté en mi entrada anterior, el deterioro geométrico de la vía se traduce en violentas aceleraciones de los ejes que se transmiten, aunque filtradas, a los pasajeros. Esta irregularidad geométrica puede corregirse con máquinas bateadoras o, de ser necesario, sustituyendo el balasto. Las vibraciones no filtradas se han denunciado en los últimos meses por usuarios y operadores en algunos tramos de la red española. Es cierto que afectan fundamentalmente al confort, y no directamente a la seguridad. También es cierto que se perciben en el habitáculo de pasajeros y dependen, por tanto, del diseño de los filtros (suspensiones). Sin embargo, no es posible negar que son indicio de que la carga dinámica en los ejes tiene fuertes oscilaciones. Es en el bogie (carretón o bastidor para dos ejes, ver Fig. 5) donde la oscilación se traduce en mayor daño por fatiga, pudiendo aparecer fisuras cuando se asignan con regularidad a tramos muy exigentes. La detección temprana permite evitar la fractura total de consecuencias catastróficas. En la industria aeronáutica, donde se convive con grietas incipientes controladas, se ha aprendido a determinar los ciclos admisibles hasta reparación o reposición de componentes. En la industria ferroviaria, en cambio, aunque los ciclos hasta revisión pueden depender de los niveles de irregularidad del trazado, las fisuras no se esperan, y la reparación se acomete tan pronto se detectan.

Del lado de la vía, las aceleraciones de los ejes provocadas por la irregularidad geométrica de la línea se traducen en cargas oscilantes y en movimiento. Los ciclos de carga al paso de cada eje pueden tener mayor amplitud como consecuencia de la oscilación. Sin embargo, la incidencia de este fenómeno en el daño acumulado no puede inferirse sin análisis detallados. Se conoce, esto sí, que las zonas críticas están en los elementos móviles de los aparatos para desvíos, así como en las soldaduras entre tramos de carril (las antiguas juntas de dilatación, que generaban el repiqueteo característico del ferrocarril del pasado, dejaron de utilizarse en favor del carril continuo soldado). Estas zonas, por tanto, deben inspeccionarse con ultrasonidos para descartar la presencia de fisuras o defectos del material.

El trágico accidente en Adamuz (Córdoba) parece estar ocasionado por rotura de carril en zona próxima a una soldadura in-situ de cupones de distinta edad. El milagro en Brazatortas (2017) se tornó fatalidad en Adamuz (2026): el carril seccionado volcó, varios coches sin guía abandonaron el trazado invadiendo la vía contigua por donde viajaba otro tren a más de 200 km/h. Las causas últimas siguen en estudio. Hasta que se publiquen, conviene no amplificar el ruido que ya inunda medios y redes, pero sí es pertinente enfatizar la necesidad de extraer lecciones.

Aunque los accidentes comentados en esta entrada se han traducido en recomendaciones dirigidas al diseño de componentes, y a los protocolos de inspección y mantenimiento, puede que la Union internationale des chemins de fer (UIC), que anualmente publica una memoria sobre seguridad, deba reforzar el carácter global del estudio y análisis de accidentes ferroviarios.