COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES de Marzo de 2013 Toledo I. Carrascal, J. A. Casado, S. Diego y J.A. Polanco ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS Departamento 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 ReferenciaLIFE 10 ENV/ES/ DuraciónOCT-2011 / MAR UbicaciónEspaña Presupuesto: € ObjetivoDemostrar los beneficios medioambientales, y la factibilidad técnica y económica de la elaboración de un material elastomérico procedente de la trituración de neumáticos fuera de uso conglomerada con una resina para aplicaciones ferroviarias. BeneficiariosCoordinador: ACCIONA Infraestructuras S.A. Área temáticaPolítica y Gobernanza Medioambiental: Cambio climático Suelo Prod. Químicos Bosques Agua Medio Ambiente Urbano Medio Ambiente y Salud Innovación Aire Ruido Recursos Naturales y Residuos Enfoques estratégicos

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

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES  LÍNEA FERROVIARIA ©KLK Electro Materiales S.A INTRODUCCIÓN (II) 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 Poliuretano CDM

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES 2.- O BJETIVO Analizar el comportamiento de la manta elastomérica fabricada con NFU en vía balastada Acciones estáticas Acciones dinámicas Durabilidad Ensayos con placa balastada Envejecimiento

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES 3.- M ATERIAL OBJETO DE ESTUDIO Aditivos Mezcla homogénea Compactación Superficie (300 x 300) mm 2 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) mm 2 e = 25 mm + geometría plana en la parte superior y ondulada en la inferior Acción dinámica  fatiga

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES  Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares “Contratación del suministro de manta antivibratoria destinada a la línea de alta velocidad noroeste” de ADIF. Abril  DBS , “Condiciones técnicas de suministro, Acolchado de subbalasto para reducir la carga ejercida sobre el balasto. Ensayos mecánicos”.  Especificación Técnica brasileña ET-V-C /6-U00-999, ”Manta amortecedora de impacto e vibração do lastro-fornecimento e instalação”.  DIN : , “Mechanical vibration. Resilent elements used in railway tracks. Part 1: Terms and definitions, classification, test procedures”.  DIN : , “Mechanical vibration. Resilent elements used in railway tracks. Part 5: Laboratory test procedures for under-ballast mats”.  EN ISO :2009, “Acústica y vibración. Medición de las propiedades de transferencia vibroacústica de elementos elásticos. Parte”.  EN ISO :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.- N ORMATIVA R EFERENCIA (actualizable)

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES F Equipamiento: Máquina universal de ensayos (± 100 kN) Platos de carga de compresión: 300x300 mm 2 Acero R a ≥ 3,2 μm Placa simuladora de balasto Rótula compresión 4 LVDTs (± 5 mm) Brazos soporte lvdt 5.- M ETODOLOGÍA E XPERIMENTAL (I)  Módulo estático

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES Parámetros de ensayo: Muestras: 3 de 300 x 300 mm 2 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 Ej: ensayo 5.- M ETODOLOGÍA E XPERIMENTAL (II)  Módulo estático

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES Equipamiento: Mismos que módulo estático Cámara climática Parámetros de ensayo Muestras: 3 de 300 x 300 mm 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.- M ETODOLOGÍA E XPERIMENTAL (III)  Módulo dinámico Hz

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES 5.- M ETODOLOGÍA E XPERIMENTAL (V)  Resistencia al envejecimiento Envejecimiento térmico Resistencia al agua Proceso isotermo a 70ºC  7 días Estufa con extracción de aire forzada Proceso de inmersión en agua destilada 50ºC  7 días

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES Equipamiento: Bancada Actuador servohidráulico (± 100 kN) Chapa de acero de 1 m 2 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 mm 2 que se unen para formar 1 m 2 La carga se aplica en la junta 5.- M ETODOLOGÍA E XPERIMENTAL (VI)  Resistencia a la fatiga

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES Secuencia de montaje: Capa de geotextilIncorporación del balasto Chapa metálica Junta Medida del módulo estático inicial sin balasto. C est,0,sb Plato de carga 5.- M ETODOLOGÍA E XPERIMENTAL (VII)  Resistencia a la fatiga

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES Parámetros de ensayo: Dos etapas, 5 Hz, compresión naturaleza senoidal :  1ª: ciclos  2ª: ciclos  Se realizan medidas continuas con balasto  Se mide el módulo estático de la placa tras 12,5 M sin balasto 5.- M ETODOLOGÍA E XPERIMENTAL (VIII)  Resistencia a la fatiga

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES 6.- R ESULTADOS (I)  Módulo estático y dinámico Comparativa estática placa acero - balasto Comparativa dinámica placa acero - balasto C est (N/mm 3 )C 10Hz (N/mm 3 ) P. Balasto0,014 0,0130,0320,033 P. Metálica0,019 0,0180,0390, Hz

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES f = 10 Hz 6.- R ESULTADOS (II) Influencia de la temperatura  Módulo dinámico Influencia de la frecuencia f (Hz) C din (N/mm 3 ) 0,0500,0550,0600,073 T (ºC) C din(10 Hz) (N/mm 3 ) 0,1170,0810,0690,055

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES 6.- R ESULTADOS (III)  Resistencia al envejecimiento Envejecidas en estufa Módulo estático Módulo dinámico

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES 6.- R ESULTADOS (IV)  Resistencia al envejecimiento Envejecidas en agua Módulo estático Módulo dinámico TratamientoC (N/mm 3 )previoposterior agua C est 0,0190,018 C din 0,0380,031 estufa C est 0,0180,019 C din 0,0330,040

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES Módulo estático con balasto Módulo sin balasto 6.- R ESULTADOS (V)  Resistencia a la fatiga Módulo dinámico con balasto Rigidización del 10%. Rigidización casi 50%.

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES Hundimiento de la placa 6.- R ESULTADOS (VI)  Resistencia a la fatiga Incremento en la densidad de conjunto del balasto de un 12 % Evolución del Balasto: Análisis granulométrico

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES 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.- C ONCLUSIONES

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES 8.- P ROPUESTA A LTERNATIVA (I)  Resistencia a la fatiga  Ensayo de fatiga a escala reducida 2 muestras de 300 x 300 mm 2 Junta Medida del módulo estático inicial sin balasto. C est,0,sb Parámetros de ensayo: ciclos Monitorización continua, C din C est  0, 1mill, 2 mill y 5 mill

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES 8.- P ROPUESTA A LTERNATIVA (I)  Resistencia a la fatiga  Ensayo de fatiga a escala reducida Módulo estático Módulo dinámico Análisis: Evolución módulo dinámico  la mayor parte del daño mecánico se introduce de forma acelerada en los primeros 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

COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES Gracias por su atención