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COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES


13 - 15 de Marzo de 2013Toledo

I. Carrascal, J. A. Casado, S. Diego y J.A. Polanco

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOSDepartamento de Ciencia e Ingeniería del Terreno y los Materiales


Programa LIFE+

RECYTRACK: Material elastomérico ecológico “ECO-FRIENDLY” procedente de neumáticos fuera de uso mezclado con resina de unión orgánica para aplicaciones ferroviarias

Referencia LIFE 10 ENV/ES/000514

Duración OCT-2011 / MAR -2015

Ubicación España Presupuesto: 1.583.981 €

Objetivo Demostrar los beneficios medioambientales, y la factibilidad técnica y económica de la elaboración de unmaterial elastomérico procedente de la trituración de neumáticos fuera de uso conglomerada con una resinapara aplicaciones ferroviarias.

Beneficiarios Coordinador: ACCIONA Infraestructuras S.A.

Área temática Política y Gobernanza Medioambiental:

Cambio climático Suelo Prod. Químicos BosquesAgua Medio Ambiente Urbano Medio Ambiente y Salud InnovaciónAire Ruido Recursos Naturales y Residuos Enfoques estratégicos


Neumático residuo materia prima- Nuevas tecnologías que consigan eliminar o mitigar los efectos

- Nuevos criterios de calidad y confort

Neumático fuera de uso (NFU)- Problemática- Técnicas de reciclado- Nueva utilidad: valorización

Sistema ferroviario:- Infraestructura - Superestructura- Vía en balasto vs vía en placa

Problemática transmisión vibraciones

1.- INTRODUCCIÓN (I)

Adif


LÍNEA FERROVIARIA

©KLK Electro Materiales S.A

www.rockdelta.com

1.- INTRODUCCIÓN (II)

www.rockdelta.com

Sistema resiliente de apoyo para

atenuar los efectos de vibraciones

separando la vía del terreno.

Funciones:

Atenuación de ruido y vibraciones

hasta niveles admisibles

Mantener la geometría de vía

dentro de los parámetros permitidos

En el mercado existen:

• Lana de roca

• PoliuretanoCDM


2.- OBJETIVO

Analizar el comportamiento

de la manta elastomérica

fabricada con NFU en vía balastada

Acciones estáticas

Acciones dinámicas Durabilidad

Ensayos con placa balastada

Envejecimiento


3.- MATERIAL OBJETO DE ESTUDIO

Aditivos Mezcla homogénea Compactación

Superficie (300 x 300) mm2

e = 25 mm + geometría plana en la parte superior (contacto con el balasto) y ondulada en la inferior

e = 35 mm planas por ambas caras

Superficie (1000 x 450) mm2

e = 25 mm + geometría plana en la parte superior y ondulada en la inferior

Acción dinámica fatiga


Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares “Contratación del suministro de manta antivibratoria destinada a la línea de alta velocidad noroeste” de ADIF. Abril 2010.

DBS 918 071-01, “Condiciones técnicas de suministro, Acolchado de subbalasto para reducir la carga ejercida sobre el balasto. Ensayos mecánicos”.

Especificación Técnica brasileña ET-V-C-99-99-0102/6-U00-999, ”Manta amortecedora de impacto e vibração do lastro-fornecimento e instalação”.

DIN 45673-1:2010-08, “Mechanical vibration. Resilent elements used in railway tracks. Part 1: Terms and definitions, classification, test procedures”.

DIN 45673-5:2010-08, “Mechanical vibration. Resilent elements used in railway tracks. Part 5: Laboratorytest procedures for under-ballast mats”.

EN ISO 10846-2:2009, “Acústica y vibración. Medición de las propiedades de transferencia vibroacústicade elementos elásticos. Parte”.

EN ISO 6721-1:2003, “Plásticos. Determinación de las propiedades mecano-dinámicas. Parte 1: Principios generales”.

Bao Hua et al. Digital Phase Detecting Base don Hilbert Transform and Its DSP Implementation. Information Science and Technology College, NUAA.

4.- NORMATIVA REFERENCIA (actualizable)


F

Equipamiento:

Máquina universal de ensayos (± 100 kN)

Platos de carga de compresión:• 300x300 mm2

• Acero Ra ≥ 3,2 μm• Placa simuladora

de balasto

Rótula compresión

4 LVDTs (± 5 mm)

Brazos soporte lvdt

5.- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL (I)

Módulo estático


0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4

Fuer

za (k

N)

media

(mm)

F

Parámetros de ensayo:

Muestras: 3 de 300 x 300 mm2

Ensayo: 3 rampas de carga y descarga a una velocidad de 1 mm/min Tensión mínima / máxima de ensayo: 0 / 0,11 MPa Tensión de mínima / máxima de medida: 0,02 / 0.10 MPa del último ciclos

)mm/N(S1·FC 3

mínmáx

mínmáxest

Ej: ensayo

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6

Fuer

za (k

N)

media

(mm)

5.- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL (II)

Módulo estático


Equipamiento:

Mismos que módulo estático

Cámara climática

Parámetros de ensayo

Muestras: 3 de 300 x 300 mm2

1000 ciclos de naturaleza senoidal

Tensión mínima / máxima de ensayo y medida: 0,02/0,10 MPa

Medida en los últimos 10 ciclos

Frecuencias de ensayo: 1, 5, 10, 20 Hz

Temperatura:

• Ambiente

• Para 10 Hz: 30, 0, -10, -20 ºC

5.- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL (III)

Módulo dinámico Hz

)mm/N()()(

C 3

iHzminmax

iHzminmaxiHz,din


5.- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL (V)

Resistencia al envejecimiento

Envejecimiento térmico Resistencia al agua

Proceso isotermo a 70ºC 7 días

Estufa con extracción de aire forzadaProceso de inmersión en agua destilada 50ºC 7 días

)mm/N(S1·FC 3

mínmáx

mínmáxest

)/()()( 3

10minmax

10minmax10 mmNC

Hz

HzHz


Equipamiento:

Bancada

Actuador servohidráulico (± 100 kN)

Chapa de acero de 1 m2

Plato de carga circular: Ø600 mm

4 LVDT de ± 5 mm

Rótula para esfuerzos de compresión

Cajón, geotextil, otros útiles

Muestra:

Dos muestras de 1000 x 450 mm2 que se unen para formar 1 m2

La carga se aplica en la junta

5.- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL (VI)

Resistencia a la fatiga


Secuencia de montaje:

Capa de geotextil Incorporación del balasto

Chapametálica

Junta

Medida del módulo estático inicial sin balasto. Cest,0,sb

Plato de carga

5.- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL (VII)




Dos etapas, 5 Hz, compresión naturaleza senoidal :

1ª: 10.000.000 ciclos

2ª: 2.500.000 ciclos

Se realizan medidas continuas con balasto

Se mide el módulo estático de la placa tras 12,5 M sin balasto

5.- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL (VIII)



6.- RESULTADOS (I)

Módulo estático y dinámico

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8 10 12

AceroBalasto

Fuer

za (k

N)

m (mm)

Comparativa estática placa acero - balasto

0

2

4

6

8

10

0 0,5 1 1,5 2 2,5

AceroBalasto

Fuer

za (k

N)

m

(mm)

Comparativa dinámica placa acero - balasto

Cest (N/mm3) C10Hz(N/mm3)

P. Balasto 0,014 0,014 0,013 0,032 0,033

P. Metálica 0,019 0,019 0,018 0,039 0,040

10 Hz


2

4

6

8

10

0 0.4 0.8 1.2 1.6

f = 1Hzf = 5 Hzf = 10 Hzf = 20 Hz

Fuer

za (k

N)

MEDIA

(m m )

2

4

6

8

10

0 0,5 1 1,5

30 ºC 0 ºC-10 ºC-20 ºC

MEDIA

(mm)

Fuer

za (k

N)

f = 10 Hz

6.- RESULTADOS (II)

Influencia de la temperatura

Módulo dinámico Influencia de la frecuencia

f (Hz) 1 5 10 20Cdin

(N/mm3) 0,050 0,055 0,060 0,073

T (ºC) -20 -10 0 30Cdin(10 Hz)(N/mm3) 0,117 0,081 0,069 0,055


6.- RESULTADOS (III)


0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7

Ensayo previoEnsayo posterior

Fuer

za (k

N)

m

(mm)

Envejecidas en estufa

0

2

4

6

8

10

0 0,5 1 1,5 2 2,5


Fuer

za (k

N)

m

(mm)

Módulo estático Módulo dinámico


6.- RESULTADOS (IV)


Envejecidas en agua

Módulo estático Módulo dinámico

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6


Fuer

za (k

N)

m

(mm)

0

2

4

6

8

10

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3


Fuer

za (k

N)

m

(mm)

Tratamiento C (N/mm3) previo posterior

agua Cest 0,019 0,018Cdin 0,038 0,031

estufa Cest 0,018 0,019Cdin 0,033 0,040


Módulo estático con balasto

Módulo sin balasto

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8

INICIAL5 M ciclos10 M ciclos12,5 M ciclso

Fuer

za (k

N)

LVDT MEDIA

(mm)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5

INICIALFINAL (12,5 M)

Fuer

za (k

N)

LVDT MEDIA

(mm)

6.- RESULTADOS (V) Resistencia a la fatiga

35

40

45

50

55

0 2 106 4 106 6 106 8 106 1 107 1.2 107

M. d

inám

ico

(kN

/mm

)

Ciclos

Fase 1 Fase 2

Módulo dinámico con balasto

Rigidización del 10%.

Rigidización casi 50%.


Hundimiento de la placa

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 106 4 106 6 106 8 106 1 107 1.2 107

Des

plaz

amie

nto

del p

lato

de

carg

a (m

m)

Ciclos

Fase 1 Fase 2

6.- RESULTADOS (VI)


Incremento en la densidadde conjunto del balasto de un 12 %

1.3

1.32

1.34

1.36

1.38

1.4

1.42

1.44

0

2

4

6

8

10

12

0 2 106 4 106 6 106 8 106 1 107 1.2 107

Incremento de D

C (%)

Ciclos

Den

sida

d de

con

junt

o (g

/cm

3 )

Fase 1 Fase 2

Evolución del Balasto:

Análisis granulométrico


El comportamiento dinámico de la manta elastomérica, en las proporciones adecuadas de granulometría, mezcla y espesor, es adecuado para ser utilizada como manta antivibratoria.

El empleo del balasto y la “placa balasto” en el estudio dinámico de la manta introducen un cierto carácter de aleatoriedad en los resultados que dificultará la reproducibilidad de los mismos y la intercomparación entre laboratorios. Esto puede evitarse con el empleo de platos de carga de acero planos.

El envejecimiento en estufa rigidiza el material, mientras que la absorción de agua provoca su flexibilización.

La respuesta dinámica del material también se ve fuertemente afectada por parámetros externos como la temperatura ambiental o la frecuencia de aplicación de las cargas, rigidizando el material al disminuir la temperatura o aumentar la frecuencia.

El ensayo de fatiga a gran escala introduce la incertidumbre asociada al comportamiento dinámico del balasto. Se ha comprobado que es el balasto la parte del conjunto que más se deteriora.

7.- CONCLUSIONES


8.- PROPUESTA ALTERNATIVA (I)

Resistencia a la fatiga Ensayo de fatiga a escala reducida

2 muestras de 300 x 300 mm2

Junta

Medida del módulo estático inicial sin balasto. Cest,0,sb


5.000.000 ciclos Monitorización continua, Cdin Cest 0, 1mill, 2 mill y 5 mill


8.- PROPUESTA ALTERNATIVA (I)

Resistencia a la fatiga Ensayo de fatiga a escala reducida

0,055

0,06

0,065

0,07

0,075

0 1 106 2 106 3 106 4 106 5 106

Cdi

n (N/m

m3 )

Ciclo

0

2

4

6

8

10

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Inicio

1,1·106 ciclos

2·106 ciclos

5·106 ciclos

Fuer

za (k

N)

m

(mm)

Módulo estáticoMódulo dinámico

Análisis:

• Evolución módulo dinámico la mayor parte del daño mecánico se introduce de forma acelerada en los primeros 500.000 ciclos mientras que durante el resto del ensayo el crecimiento se ralentiza

• Módulo estático la rigidización alcanza la misma variación que en el ensayo sobre el conjunto (normativo)

Conclusión:

Los resultados obtenidos indican que las condiciones del ensayo a escala reducida no normalizado, son más agresivas para la manta que las del ensayo de fatiga definido en la normativa de referencia


Gracias porsu atención

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