Estudio del comportamiento frente a fuego, humos y esfuerzos mecánicos de materiales compuestos de matriz orgánica para aplicaciones ferroviarias de altas prestaciones

Resumen

La constante evolución y mejora de los vehículos ferroviarios, ha dado paso a la introducción de los materiales compuestos dentro de este sector, para poder conseguirlo. Los condicionantes cada vez mayores que se están exigiendo a este modo de transporte, hacen que este tipo de soluciones sirvan para la adaptación del mismo de una forma muy eficaz. El paso de los materiales metálicos tradicionales a los materiales compuestos, ha sido necesario para cumplir con unos requerimientos, cada vez mas exigentes: coches mas seguros, con mayores capacidades de transporte, de menores pesos, con poco consumo energético, de mayor confort, mas versátiles y con mejores procesos de fabricación, con mayor resistencia frente a fuego, con menor nivel de ruido, con mejor estética, etc. Así los materiales compuestos son una de las mejores opciones para lograrlo, ya que al ser un material configurado a medida, puede adaptarse a las exigencias requeridas, en función de los distintos condicionantes. Aparecen un sin fin de oportunidades que pueden dar un gran giro a la industria ferroviaria, en términos de vehículos más seguros, menos pesados, altamente resistentes, medioambientalmente fiables y con técnicas de producción altamente industrializadas, y con muy pocos costes energéticos. Los materiales compuestos se han ido introduciendo en el mundo ferroviario poco a poco. Inicialmente se han utilizado para la construcción de interiorismos, pasando a formar parte de componentes de mayor envergadura e importancia, como particiones, pupitres de conducción, aseos modulares, etc. De una forma paulatina, se están utilizando para la fabricación de componentes de mayor entidad y compromiso, como son bogies, coches completos, etc. Estos últimos avances se están introduciendo, en gran medida, en el mundo ferroviario de la alta velocidad y en los tranvías. Este documento pretende desarrollar un demostrador, de un elemento de un coche ferroviario de Metro de Madrid, en concreto de una puerta de un coche tipo 8000, con un compromiso estructural muy elevado, y que está funcionando en la actualidad correctamente. Se analiza el comportamiento de los materiales compuestos a largo plazo, y se indica la monitorización de los mismos para justificar su uso en el campo de los ferrocarriles. Las aportaciones más importantes de este trabajo están encaminadas a indicar cuales son los requerimientos, en base a normativas y especificaciones existentes, se deben de exigir a los materiales compuestos, desde el punto de vista de resistencia frente a fuego, humos y emisión de gases tóxicos, consiguiendo un ahorro en peso significativo y conservando la estructuralidad; establecer un Plan de ensayos para conseguirlo; y aplicarlo sobre una puerta exterior de pasajeros del coche ferroviario. Así mismo, se introduce el desarrollo hacia la fabricación de un vehículo construido íntegramente en materiales compuestos, de forma compacta, aplicando parcialmente el Plan. Se han estudiado los laminados, sobre todo en cuanto a la resina se refiere, para cumplir los requerimientos frente ha fuego. Se han construido subestructuras de mayor envergadura (sándwiches), teniendo especial cuidado con las espumas utilizadas en la fabricación de las mismas para alcanzar dichos requerimientos. De estas subestructuras, se han analizado dos configuraciones de material diferentes: una con alta resistencia frente a fuego (resina fenólica en pieles y vigas de refuerzo, y espuma PIR en núcleos) y otra con alta estructuralidad (resina fenólica en pieles, y resina epoxi en vigas de refuerzo, y espuma PVC en núcleos). Al analizar las dos configuraciones de subestructuras, se ha corroborado que la configuración que tiene mayor resistencia frente a fuego, tiene menor resistencia estructural, aunque cuando existen vigas de refuerzo interiores no existe una predominancia de las propiedades mecánicas de una sobre otra. Así mismo, el porcentaje de resistencia mecánica residual obtenido en ambas configuraciones, es mayor en las subestructuras con mayor resistencia frente a fuego, lógicamente. Ambas configuraciones han alcanzado el nivel M1-F1 exigido. Se ha conseguido, con la configuración de mayor resistencia frente a fuego y humos, que la estructura conserve su estabilidad durante al menos, 60 minutos (E60) y su aislamiento térmico durante al menos, 20 minutos (I20). Durante la hora que duró el ensayo, se alcanzó dentro del horno, una temperatura de 950ºC, manteniéndose la cara exterior de la puerta prácticamente intacta. Una puerta de aluminio sometida al mismo tipo de ensayo alcanzaría rápidamente 140ºC en la cara exterior, dejando de ser estanca a las llamas a los 15 minutos, ya que se habría alcanzado el punto de fusión de este material a los 10 minutos del ensayo. En la puerta prototipo se ha reducido el peso en 6 kg, existiendo una diferencia entre la de materiales compuestos y la de aluminio de un 25%. Una vez instalada, se han realizado ensayos de medición e inspección visual cumpliendo con las tolerancias dimensionales fijadas. Tras cinco años de puesta en servicio, y una vez realizada una medición de control numérico sobre la puerta, se han podido comprobar, comparando las mediciones obtenidas con el CAD inicial, las deformaciones sufridas por la puerta, estando dentro de valores admisibles. Transcurridos cinco años mas, podrán compararse los valores obtenidos entre la medición actual y la futura. Finalmente, se han dado los primeros pasos para aplicar los materiales compuestos a la estructura resistente de un vehículo ferroviario completo, realizando un modelo de elementos finitos del mismo, y analizando las distintas subestructuras de forma similar al modelo de la puerta realizado. Al suelo de la estructura de la caja del coche, se la ha sometido a ensayos específicos de foco de calor bajo bastidor, debido al alto grado de compromiso que tiene esta parte, al estar compartimentando el habitáculo de pasajeros, respecto de los equipos susceptibles de provocar un fuego. Los paneles de la estructura del vehículo han alcanzado, también, el requerimiento de M1-F1, y han alcanzado una estabilidad estructural durante al menos, 60 minutos (E60), y un aislamiento térmico durante al menos, 45 minutos (I45).