COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES
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
COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES
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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
Resistencia a la fatiga
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Parámetros de ensayo:
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)
Resistencia a la fatiga
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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
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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
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6.- RESULTADOS (III)
Resistencia al envejecimiento
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
Ensayo previoEnsayo posterior
Fuer
za (k
N)
m
(mm)
Módulo estático Módulo dinámico
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6.- RESULTADOS (IV)
Resistencia al envejecimiento
Envejecidas en agua
Módulo estático Módulo dinámico
0
2
4
6
8
10
0 1 2 3 4 5 6
Ensayo previoEnsayo posterior
Fuer
za (k
N)
m
(mm)
0
2
4
6
8
10
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Ensayo previoEnsayo posterior
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
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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%.
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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)
Resistencia a la fatiga
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
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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
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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
Parámetros de ensayo:
5.000.000 ciclos Monitorización continua, Cdin Cest 0, 1mill, 2 mill y 5 mill
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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