COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES de Marzo de 2013.

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1 COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES 13 - 15 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

2 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/000514 DuraciónOCT-2011 / MAR -2015 UbicaciónEspaña Presupuesto: 1.583.981 € 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

3 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

4 COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES  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 Poliuretano CDM

5 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

6 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

7 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 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: Laboratory test procedures for under-ballast mats”.  EN ISO 10846-2:2009, “Acústica y vibración. Medición de las propiedades de transferencia vibroacústica de 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.- N ORMATIVA R EFERENCIA (actualizable)

8 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

9 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

10 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 2 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.- M ETODOLOGÍA E XPERIMENTAL (III)  Módulo dinámico Hz

11 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

12 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

13 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

14 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: 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.- M ETODOLOGÍA E XPERIMENTAL (VIII)  Resistencia a la fatiga

15 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 0,0180,0390,040 10 Hz

16 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)151020 C din (N/mm 3 ) 0,0500,0550,0600,073 T (ºC)-20-10030 C din(10 Hz) (N/mm 3 ) 0,1170,0810,0690,055

17 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

18 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

19 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%.

20 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

21 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

22 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: 5.000.000 ciclos Monitorización continua, C din C est  0, 1mill, 2 mill y 5 mill

23 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 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

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