Diseño de Catenarias con Metodología BIM: La innovación como motor de la ingeniería

diciembre 28, 2023

En el mundo de la ingeniería civil, el enfoque hacia la innovación se convierte en un motor vital para el progreso. En esta búsqueda incansable por mejorar, el BIM en Ingeniería Civil emerge como un aliado poderoso, especialmente aplicando BIM en los sistemas ferroviarios y en el diseño de catenarias.

Esta iniciativa, gestada por alianza BIM, no solo representa un proyecto de investigación y desarrollo, sino un compromiso arraigado en acercar el potencial del BIM a un campo crucial de la ingeniería.

A través de un meticuloso trabajo, se ha logrado una integración que combina el rigor técnico del diseño de catenarias con la automatización en softwares clave como Civil 3D y Dynamo. El foco en la calidad de los procesos y la garantía en el manejo de información en formato IFC han sido pilares fundamentales en este trayecto hacia la excelencia ingenieril.

¿Qué son las catenarias en una infraestructura ferroviaria?

Las catenarias son los sistemas aéreos de cables y soportes que proveen la energía eléctrica a los trenes, requieren de una atención especial debido a su influencia directa en la operación segura y eficiente del sistema ferroviario. Algunas de las particularidades más destacadas de este diseño, son:

  • Geometría y trazado precisos: Deben ser diseñadas con una geometría precisa que se adapte al trazado de la vía y sus curvas. La altura, la inclinación y el espaciado entre los cables deben calcularse cuidadosamente para asegurar un contacto uniforme con los pantógrafos de los trenes.
  • Materiales y resistencia: La selección de materiales para los cables y soportes de las catenarias es crucial. Deben ser lo suficientemente resistentes para soportar las tensiones mecánicas y ambientales, como vientos fuertes y cambios de temperatura.
  • Ubicación y espaciamiento de ménsulas: La ubicación estratégica de las ménsulas a lo largo de las vías es esencial para garantizar un soporte adecuado de los cables. El espaciamiento entre las ménsulas debe calcularse cuidadosamente, teniendo en cuenta factores como la curvatura de las vías, la tensión de los cables y la distribución de la carga.
  • Geometría de ménsulas: La geometría de las ménsulas, es crucial para garantizar un buen funcionamiento del sistema de catenarias.

La importancia del diseño de catenarias en la ingeniería

El diseño de sistemas de catenarias requiere un enfoque técnico y detallado que tenga en cuenta la interacción con los trenes y con el trazado de la vía, la seguridad, la durabilidad y la funcionalidad eléctrica.

Debido a su naturaleza técnica y su influencia directa en la operación segura y eficiente de los ferrocarriles, el diseño de catenarias representa un proceso de gran importancia, ya que requiere una atención minuciosa y una comprensión profunda de diversos aspectos.

Una de las principales particularidades del diseño de catenarias es su interacción íntima con los trenes en movimiento. La distancia y la altura entre la catenaria y el tren deben ser precisas para garantizar la transferencia segura y eficiente de energía.

Además, las fluctuaciones de velocidad y las curvas en la vía férrea implican que la catenaria debe diseñarse de manera que permita una adaptación fluida a estas condiciones cambiantes, evitando cualquier interferencia con la operación de los trenes.

Otro aspecto que destaca como importante es la variabilidad topográfica y condiciones de infraestructuras existentes, esto puede significar una complejidad en el diseño de catenarias, ya que las diferencias en la altitud del terreno requieren ajustes en la altura de la catenaria para mantener una distancia constante entre esta y los trenes. Además, la presencia de puentes, viaductos y túneles agrega desafíos adicionales, ya que se deben encontrar soluciones para garantizar que la catenaria se adapte a estas estructuras sin comprometer la seguridad ni la eficiencia del sistema eléctrico.

El aspecto mecánico de las catenarias es igualmente crítico. Las catenarias deben resistir 

condiciones climáticas adversas, como vientos fuertes, nieve y hielo, sin sufrir deformaciones ni fallos. La tensión adecuada de los cables y la elección de los materiales correctos son aspectos fundamentales para asegurar la integridad estructural y la durabilidad a largo plazo de estos sistemas.

Por último, la seguridad es un componente esencial del diseño de catenarias. Dado que la catenaria opera a altas tensiones eléctricas, la prevención de descargas eléctricas y el riesgo de incendios son consideraciones críticas. El diseño debe incluir medidas de protección y aislamiento adecuadas para garantizar la seguridad tanto de los trabajadores como de los pasajeros.

Todos estos elementos hacen que el diseño de catenarias sea un proceso de extrema rigurosidad y toma una importancia crucial a la hora de decidir cómo abordar un proyecto de trazado ferroviario.

Metodología BIM y su impacto en el diseño de catenarias

En el contexto de la metodología BIM, las particularidades del diseño de catenarias requieren una atención especial. La información precisa y actualizada sobre la geometría de la vía, los elementos estructurales y las características del terreno son esenciales para un diseño acertado.

Por otro lado, la colaboración entre múltiples disciplinas, como señalización, trazado, catenarias, estructuras e hidráulica, es fundamental para abordar de manera efectiva las complejidades interconectadas de este proceso.

Elementos estructurales que se deben considerar en el modelado BIM

Cimentaciones

Para la creación de las fundaciones, se emplea un enfoque basado en un cubo paramétrico con dimensiones predefinidas ajustables. Este cubo representa la estructura de la fundación y se caracteriza por parámetros clave como altura, largo y ancho.

La versatilidad de este enfoque radica en la capacidad de modificar dinámicamente el tipo de cubo paramétrico en función de sus dimensiones de acuerdo con las necesidades del proyecto. Al ajustar estos parámetros, se logra una adaptación rápida y precisa de las fundaciones a diferentes contextos de diseño. 

Esta flexibilidad es crucial para garantizar la coherencia y la eficiencia en la implementación del flujo de trabajo BIM.

Modelado de cimentaciones de catenarias

Postes 

Para el diseño de los postes, se adopta un enfoque que se basa en un entramado de acero paramétrico con dimensiones predefinidas ajustables. Este reticulado, dependiendo de su tipología, se compone por perfiles tipo C y L y se caracteriza por dimensiones esenciales como altura, largo y ancho. 

La utilización de un entramado de acero paramétrico como base para la modelación de los postes ilustra la agilidad y la utilidad del enfoque propuesto. La definición de las dimensiones clave y el punto de inserción establece las bases para un diseño flexible y ajustable, lo que a su vez facilita una integración fluida en el proceso de modelado de sistemas de catenarias.

Modelado de postes de catenarias

Ménsulas 

En el diseño de las ménsulas, se opta por un enfoque que se basa en la creación de dos elementos paramétricos, del tipo B1 y B2, que capturan las dimensiones fundamentales del brazo de atirantado. Esta representación se traduce en un elemento versátil y ajustable,cuyas longitudes principales pueden ser modificadas según las necesidades del proyecto. La elección de este método se basa en su capacidad para lograr un diseño adaptable y consistente. 

Al permitir la alteración de las dimensiones clave del brazo de atirantado, se facilita la  personalización precisa de las ménsulas en diferentes escenarios. Esta flexibilidad es esencial para mantener la coherencia y la eficiencia en el contexto de la metodología BIM en Civil 3D.

Modelado de ménsulas de catenarias

Sistema de Cables

Tanto el hilo de contacto, como el sustentador y las péndolas conforman el sistema de cables mínimo para garantizar el transporte de la energía eléctrica hasta el tren. Este sistema considera una particularidad geométrica en su trazado en planta, ya que para asegurar un desgaste parejo del pantógrafo se considera un descentramiento de los cables, en este caso de +-25 cm en cada ménsula.

Modelado de sistema de cables de catenarias

¿Qué son los proyectos I+D en la metodología BIM?

Un proyecto de I+D en la metodología BIM (Building Information Modeling, por sus siglas en inglés) se refiere a un esfuerzo de investigación y desarrollo centrado en la aplicación y mejora de la tecnología BIM en el ámbito de la construcción y la gestión de infraestructuras. 

Algunos ejemplos de áreas de investigación y desarrollo en proyectos de I+D relacionados con BIM podrían incluir mejoras en la interoperabilidad, integración de nuevas tecnologías, automatización y optimización de procesos, gestión de datos y seguridad, sostenibilidad, entre otros.

Nuestro proyecto I+D de alianza BIM para el diseño de catenarias con BIM

Desde su origen, este proyecto nace con el propósito de expandir el uso del Building Information Modeling (BIM) en sectores de la Ingeniería poco explorados. Las infraestructuras ferroviarias, con su exigencia de rigurosidad y consideración de múltiples factores, destacan como proyectos que se benefician sustancialmente de la implementación del BIM. Tenemos la convicción de que esta metodología aportaría eficiencia y organización a la planificación, diseño, construcción y mantenimiento de estas obras, facilitando la coordinación entre disciplinas y partes interesadas.

En resumen, este proyecto busca introducir y aprovechar el potencial del BIM en sistemas ferroviarios, mejorando la gestión global de proyectos en un sector que se verá notablemente beneficiado.

¿Por qué usamos Dynamo para Civil 3D, como software BIM para este proyecto?

Aunque Civil 3D de Autodesk no presenta una herramienta específica para el diseño de sistemas de catenarias, es posible aprovechar su conjunto de herramientas para establecer un flujo de trabajo que integre la metodología BIM en este contexto particular. 

Para definir las herramientas de Civil 3D necesarias para el diseño de catenarias con metodología BIM, primero se presentan las problemáticas que se necesitan resolver.

  • Contar con elementos 3D paramétricos para representar las fundaciones, los postes y las ménsulas en cada punto que se requiera. 
  • Colocar estos elementos 3D en el espacio, en función del trazado, PK y lado de la ruta. 
  • Modelar los cables de catenarias en función del trazado, descentramiento, vanos y flechas establecidas.

Al abordar las problemáticas inherentes al diseño de catenarias, como la creación de elementos 3D paramétricos y la modelación precisa de cables, Civil 3D ofrece soluciones a través de herramientas fundamentales que permiten dar soluciones óptimas a las problemáticas expuestas anteriormente.

Dynamo para Civil 3D emerge como una herramienta poderosa en este proceso. Se trata de una aplicación de programación visual que se emplea para automatizar tareas en Civil 3D y puede ofrecer soluciones específicas para el diseño de catenarias.

Por ejemplo, Dynamo facilita la colocación de los elementos paramétricos en el espacio del proyecto en coordinación con el trazado de la vía, considerando el lado y el punto kilométrico (PK) necesarios según el diseño.

A través de datos de entrada como el eje del trazado, una biblioteca de elementos paramétricos y una tabla Excel de diseño de catenarias que detalle dimensiones y ubicaciones, Dynamo automatiza la colocación precisa de fundaciones, postes y ménsulas en función del PK y lado del eje del trazado, siguiendo las restricciones definidas en los elementos paramétricos a través de los datos de entrada provenientes del Excel de diseño de catenarias.

Además de su capacidad para la colocación precisa de elementos, Dynamo ofrece un enfoque para el modelado de los cables que conforman el sistema de catenarias. Dynamo puede emplearse para automatizar el proceso de modelado del hilo de contacto, sustentador y péndolas en todos los vanos en función del eje del trazado. Esto ahorra tiempo y esfuerzo al garantizar la consistencia en el diseño y la eliminación de tareas repetitivas, como la creación de alineación y rasante de la obra lineal.

¿Cuáles fueron nuestros resultados de esta implementación BIM?

Habiendo revisado con detenimiento los modelos generados en Civil 3D, tanto con la rutina de Dynamo para fundaciones, postes y ménsulas como con la rutina para modelado de cables hilo de contacto, sustentador y péndolas, se procedió a exportar el modelo a formato IFC, para posteriormente ser utilizado en procesos de extracción de mediciones, coordinación 3D y detección de interferencias.

Los resultados demuestran la efectividad del flujo de trabajo propuesto y cómo las automatizaciones y los datos paramétricos permiten la generación eficiente y precisa del diseño.En esta etapa de prueba integral, se ha confirmado que la metodología propuesta, combinando las capacidades de Civil 3D, Dynamo y los elementos paramétricos, es capaz de llevar a cabo el diseño de sistemas de catenarias con metodología BIM de manera coherente y efectiva.

Resultado de implementación de catenarias

Conclusión:

Llevar a cabo este proceso investigativo ha sido sumamente enriquecedor para el equipo de alianza BIM debido a que se ha demostrado la efectividad de un flujo de trabajo que se caracteriza por el alto grado de automatización y parametrización en cada una de sus etapas y elementos, lo que nos brinda la certeza de estar contribuyendo significativamente a mejorar la calidad y eficiencia en el desarrollo de proyectos ferroviarios.

Durante la investigación, se ha comprobado que el flujo de trabajo de Civil 3D, a pesar de requerir una inversión inicial en el desarrollo de elementos paramétricos, bibliotecas y automatizaciones en Dynamo, conduce a un enfoque dinámico y ágil para los diseños. Una vez finalizada la etapa inicial de inversión en desarrollo propio, el flujo de trabajo se vuelve más fluido y facilita adaptaciones eficientes en las fases de diseño y construcción.

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