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

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1 COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE A ESFUERZOS DINÁMICOS DE MANTA ELASTOMÉRICA PARA LA ATENUACIÓN DE VIBRACIONES EN FERROCARRILES I. Carrascal, J. A. Casado, S. Diego y J.A. Polanco Universidad de Cantabria ETS de Ingenieros de Cainos, Canales y Puertos Av / Los Castros s/n, 395, Santander, Spain E-ail: carrasci@unican.es RESUMEN El paso de trenes, tranvías y otros tipos de tráfico ferroviario genera vibraciones. Estas vibraciones se transiten a través de toda la estructura de la vía, se propagan a través del subsuelo en fora de ondas, y las personas y los edificios sufren las olestias. Mantas antivibratorias se colocan debajo del balasto o bajo la placa de horigón de las vías del ferrocarril para evitar o reducir las vibraciones. Hoy en día, se utilizan diferentes ateriales para su fabricación. Los eleentos antivibratorios ás usados están elaborados de lana de roca, de caucho o corcho. Recienteente, el uso de partículas elastoéricas obtenidas a partir de neuáticos fuera de uso aglutinados con una atriz de resina poliérica ha auentado con el objetivo de producir un nuevo sistea antivibratorio "eco-friendly". Este trabajo se centra en el estudio del coportaiento ecánico de las antas, realizadas con esta nueva solución, bajo los esfuerzos dináicos producidos en la vía siulados en laboratorio. Asiiso, en este estudio se ha tenido en cuenta el efecto del envejeciiento térico y la absorción de agua sobre el coportaiento ecánico. ABSTRACT The passage of trains, tras and other kinds of railway traffic generates vibrations. Such vibrations are transitted through the entire track structure, propagate through the subsoil as waves, and people and buildings suffer these type of annoyances. Anti-vibration ats are placed under ballasted railway tracks or under concrete slab track to avoid or reduce vibration. Nowadays, different aterials are used for its anufacture. The anti-vibration eleents ost used are ade of rockwool, rubber or cork. Recently, the use of elastoeric particles obtained fro old tires bounded with a polyer atrix resin has been increased to produce a new anti-vibration syste eco-friendly. This work focuses on the study of the echanical behavior of ats ade of this new solution under the dynaic efforts produce on the track siulated in lab. Also in this study, the effect of theral aging and water absorption on echanical behavior has taken into account. PALABRAS CLAVE: Fatiga, Atenuación de vibraciones, anta elastoérica. 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVO La anta elastoérica copleenta a los sisteas de vía, ya sea bajo balasto o bajo platafora de horigón, en aquellas zonas sensibles de sufrir fenóenos de vibración debido a la proxiidad de los edificios, especialente en ábitos urbanos, llegando a conseguirse niveles globales de atenuación de vibraciones superiores a db. En este trabajo se ha analizado el coportaiento de la placa elastoérica bajo acciones dináicas, así coo su durabilidad en función del uso al que será soetida. Adeás, el estudio contepla la influencia que, sobre el coportaiento dináico, pueda tener el envejeciiento físico de la anta. Este envejeciiento se provocará aceleradaente en base a increentos elevados de teperatura y abientes con exceso de huedad. De la isa fora, tabién se evalúa la influencia en la respuesta dináica de variables externas coo puedan ser la teperatura abiente, el increento de la frecuencia de aplicación de cargas o el cabio de geoetría del plato transisor de esfuerzos.. MATERIAL OBJETO DE ENSAYO Las antas antivibratorias epleadas para este trabajo se han fabricado por edio de presión de ezcla hoogénea de granulados de neuático fuera de uso procedentes de vehículos ligeros y/o vehículos pesados perfectaente caracterizados previaente a su ligado con una resina de atriz poliérica, con la adición de algún aditivo o copuesto copleentario que ejora las prestaciones del producto. El diseño de la anta, en cuanto a espesor y fora, viene deterinado por un estudio vibratorio previo, particularizado para las necesidades del trazado.

2 Para la caracterización dináica se han epleado antas con espesor de 5 con geoetría plana en la parte superior y geoetría ondulada en la inferior (ver Figura 1), con el objeto de reducir la rigidez de la isa y antas planas por abas caras con espesor de 35. Figura 3. Detalle de la placa balasto Figura 1: Geoetría ondulada del plano inferior Las diensiones de la anta para los ensayos a escala reducida en áquina universal de ensayo fueron de 3x3, ientras que para el ensayo de fatiga en bancada se eplearon dos antas de x5 unidas a tope. 3. METODOLOGÍA DE ENSAYO La caracterización dináica de la anta se realizó de acuerdo a docuentos técnicos coo pliegos de prescripciones, especificaciones técnicas y norativas de referencia [1-5]. Para la deterinación de los ódulos, tanto estáticos coo dináicos, se epleó una áquina de ensayo servohidráulica de ± kn, en la que se acopló el útil que se uestra en la Figura, forado por dos platos de carga de acero de 3x3 y una rótula. La edida de deforación se realizó por edio de coparadores LVDT de ± de recorrido colocados en cada uno de los extreos. Figura. Dispositivo epleado en los ensayos a escala reducida Para coparar el coportaiento experientado por la anta, epleando este dispositivo, frente a una situación ás realista, se fabricó una placa de balasto para sustituir el plato de carga superior. Esta placa, de iguales diensiones que los platos de carga de acero, está constituida por partículas de balasto unidas por edio de un ortero, coo puede verse en la fotografía de la Figura 3. Para la deterinación del ódulo estático se aplicó una carga entre y 9.9 kn a una velocidad de 1 /in. La edida del ódulo se realizó entre valores de 1, y 9 kn. Para los ensayos de rigidez dináica se eplearon diferentes frecuencias de ensayo: 1, 5, y Hz y diferentes teperaturas, -,-, y 3 ºC, en este caso, entre valores de carga de 1, y 9 kn. El ódulo, tanto estático coo dináico, se obtuvo coo la relación entre la variación de tensión, ΔF/S, y el acortaiento edio sufrido por la anta, Δδ : F 3 Cest ó din (N / ) S Durante los ensayos dináicos se realizaron edidas del ángulo de desfase entre las señales de carga y deforación. Estos ensayos, tabién han servido para evaluar la variación de coportaiento experientada por las antas al envejecerlas artificialente en diferentes situaciones: en estufa a 7 ºC durante 7 días, por un lado, y por inersión en agua a 5 ºC 7 días, por otro. Por últio, se realizó un ensayo de fatiga sobre una superficie de anta de 1. El ensayo se realizó según DIN [5]. La uestra, que incluye una junta longitudinal en el centro de la isa, se introduce dentro de un cajón de adera. La junta se protege por edio de una cinta adhesiva y la superficie total de ensayo se cubre por edio de un geotextil para evitar que la anta se dañe por el continuo punzonaiento del balasto al aplicar la carga dináica. A continuación, se rellena el cajón con balasto hasta una altura de 35 c. Sobre la superficie de balasto se coloca un disco etálico de de diáetro que distribuye las cargas al dispositivo. Estas cargas aplicadas dependen del ódulo estático y se aplican en dos series. Para este caso, las cargas son de kn para el nivel ínio y 5 kn para el áxio durante 7 ciclos a una frecuencia de 5 Hz y se auenta el nivel áxio hasta los 75 kn en la segunda fase que dura,5 ciclos. Se realizan edidas del ódulo estático sin balasto antes y después del ensayo y edidas estáticas y dináicas a lo largo del ensayo con balasto, epleando los isos niveles tensionales y de velocidad que en los ensayos de ódulo a escala reducida. Para la realización de los ensayos se epleó una bancada dotada de un actuador servohidráulico de ± kn. Los desplazaientos se idieron por edido de cuatro coparadores LVDT (ver Figura ).

3 En la Tabla 1 se uestra un resuen con los resultados obtenidos, coprobándose el increento en los ódulos al eplear en la caracterización la placa etálica, 3 % en el caso estático y 1 % para el dináico. Por ello, el epleo de la placa balasto dificultaría realizar la intercoparación de resultados obtenidos en diferentes laboratorios debido a las diferencias geoétricas que se pueden producir en la fabricación de la placa balasto. Tabla 1. Coparativa placa balasto-placa etálica C est (N/ 3 ) C din (N/ 3 ) P. Balasto,1,1,13,3,33 P. Metálica,19,19,1,39, Figura. Dispositivo epleado para la fatiga. RESULTADOS Y ANÁLISIS.1. Coparativa Placa balasto-placa etálica En las Figura 5 y se aprecian los coportaientos de antas planas de 35 de espesor tanto en régien estático (3 antas) coo dináico a Hz ( antas), ensayadas con el plato de carga etálico y con la placa balasto. Coo era de esperar y debido a que la superficie de contacto inicial en la placa balasto es ás pequeña, debido a su elevada rugosidad, los valores del ódulo son inferiores. En el caso estático se coprueba que en la parte inicial del ensayo es donde ás se acentúa la diferencia y, posteriorente, y a edida que el balasto se va clavando en la anta, los valores del ódulo estático van increentándose hasta alcanzar valores uy parecidos a los obtenidos con la placa etálica... Envejeciiento de la anta Sobre antas siilares se coprobó el efecto de su envejeciiento, por edio de ensayos estáticos y dináicos a Hz, previos y posteriores a los trataientos. Las Figuras 7 y reflejan los ensayos realizados sobre antas soetidas a un periodo de calentaiento de 7 días en estufa a 7 º C. Por otro lado, las Figuras 9 y presentan los resultados de los ensayos realizados sobre antas que sufrieron una inersión previa en agua durante 7 días a 5ºC () Figura 7. C est de placas envejecidas en estufa Acero Balasto 1 () Figura 5. Coparativa estática placa balasto,5 1 1,5,5 () Figura. C din de placas envejecidas en estufa Acero Balasto,5 1 1,5,5 () Figura. Coparativa dináica placa balasto () Figura 9. C est de placas envejecidas en agua

4 ,5 1 1,5,5 3 () Figura. C din de placas envejecidas en agua En la Tabla, a odo de resuen, aparecen los valores obtenido para los ódulos estáticos y dináicos de las placas envejecidas. Tabla. Resultados de las antas envejecidas Trataiento C (N/ 3 ) previo posterior agua C est C din,19,3,1,31 estufa C est,1,19 C din,33, Se puede coprobar que los trataientos conteplados producen efectos contrarios, ientras el envejeciiento en agua provoca una flexibilización del aterial, el de calentaiento lo rigidiza. En abos casos, la variaciones de coportaiento son ayores en el caso dináico que en el estático..3. Efecto de la frecuencia y la teperatura Para analizar el efecto de la frecuencia y la teperatura se utilizaron antas de 5 de espesor con la superficie inferior ondulada. En la Figura 11 se coprueba la rigidización sufrida por la placa a edida que se increenta la velocidad de aplicación de la carga. isas teperaturas, observándose que éste disinuye un 3% en un rango de variación térica de 5ºC. Angulo de desfase, (rad),5 1 1,5 () 3 ºC ºC - ºC - ºC Figura 1. Influencia de la Tª (f = Hz) Teperatura (º C) tg Figura 13. Evolución de tgδ con la Tª En las Tablas 3 y se uestra un resuen de los resultados obtenidos. Tabla 3. Resultados de la influencia de la frecuencia f (Hz) 1 5 C din (N/ 3 ),5,55,,73 Tabla. Resultados de la influencia de la Tª T (ºC) C din( Hz) (N/ 3 ),117,1,9,55 tg δ,95,73,, Factor de pérdida, (tg ) f = 1Hz f = 5 Hz f = Hz f = Hz MEDIA () Figura 11. Influencia de la frecuencia Del iso odo se procedió a la realización de ensayos dináicos a Hz introduciendo el útil de ensayo en una cáara cliática en la que se varió la teperatura desde 3 hasta - ºC. Se puede coprobar en la Figura 1 cóo la anta se vuelve ás flexible a edida que se increenta la teperatura. En la Figura 13 se representa el valor del ángulo de desfase, δ, y el correspondiente factor de pérdida, tgδ, [-], a las.. Ensayo de fatiga Una vez situada la anta de ensayo se procedió a realizar un ensayo estático epleando el plato de acero de de diáetro, aplicado directaente sobre la anta, Figura 17. Antes de coenzar el ensayo se procedió a realizar un asentaiento del balasto aplicando ondas cuadradas sobre el plato de carga de 5 kn de fuerza áxia. A continuación se repitió el ensayo estático, pero ahora con el balasto situado entre la anta y el plato de carga, Figura 1. Una vez coenzado el ensayo, y sin reover el balasto, se fueron ejecutando ensayos dináicos y estáticos periódicaente. La Figura 1 refleja la evolución del asentaiento del plato de carga durante el ensayo. Se puede coprobar que durante los prieros 5 5 ciclos se produce un asentaiento cercano a los 13, siendo solaente de para el resto de la priera fase y peraneciendo prácticaente constante a partir de los 5 ciclos. En la segunda fase se produce de nuevo un rápido asentaiento adicional, cercano a los

5 , durante los prieros 5 5 ciclos tendiendo a la estabilización, al igual que en la priera fase. Desplazaiento del plato de carga () Fase 1 Fase Ciclos Figura 1. Desplazaiento del plato de carga en el ensayo de fatiga En la Figura 15, se puede observar que la rigidez dináica no se estabiliza hasta los 5 ciclos, y se coprueba un nuevo increento de rigidez al coenzar la segunda fase. Rigidez dináica (kn/) Fase 1 Fase Ciclos Figura 15. Evolución de la C din con balasto La Figura 1 uestra la rigidización sufrida por el sistea a partir de ensayos estáticos realizados al inicio (Inicial) a la itad (5 ciclos), al final de la priera fase ( 7 ciclos) y al final de la segunda fase (1,5 7 ciclos). INICIAL 5 ciclos 7 ciclos 1,5 ciclos () Figura 1. Evolución de la C est con balasto Finalizado el ensayo de fatiga, se retira la capa de balasto y el geotextil y se repite el ensayo estático sobre la anta aplicando directaente sobre la isa el disco de carga de acero. En la Figura 17 se observa la variación de rigidez estática experientada por la anta tras los 1,5 ciclos INICIAL FINAL () Figura 17. Evolución de C est sin balasto Analizando la evolución de la rigidez del conjunto, anta ás balasto, se coprueba que las variaciones entre los valores iniciales y finales son uy elevadas, tanto en régien dináico coo estático. Sin ebargo, el coportaiento de la anta, ensayada sin el balasto (Figura 17) refleja una rigidización únicaente del %. Estos datos indican que el ayor deterioro ecánico sufrido por el sistea, debido a las cargas dináicas, corresponde al balasto, anteniéndose los valores obtenidos para la anta en valores aceptables. Teniendo en cuenta el descenso del plato de carga se puede estiar cóo se increenta la densidad de conjunto del balasto contenido en el cajón a edida que la acción dináica lo va copactando. Se puede coprobar, a partir de los resultados presentados en la Figura 1, que el increento en la densidad de conjunto sufrido por balasto está cercano al 1 %. Realizando un análisis granuloétrico del balasto a diferentes alturas, una vez finalizado el ensayo de fatiga, se pudo coprobar que el increento en la densidad no es unifore al detectarse que, a edida que se aproxia a la anta, el balasto se encuentra ás fracturado..5. Ensayo de fatiga a escala reducida Teniendo en cuenta que la ayor parte del deterioro ecánico sufrido por el sistea corresponde al balasto, se desarrolla un ensayo de fatiga a escala reducida, no estandarizado, con el objeto de controlar el deterioro ecánico sufrido por la anta de fora continua. Se reducen las diensiones de la anta hasta 3x3, se utilizan los platos de carga etálicos y se reduce el núero de ciclos hasta 5. Para ello, se realiza una onitorización continua de la rigidez dináica a lo largo de la totalidad del ensayo, (ver Figura 1) y se realizan varios ensayos estáticos uniforeente distribuidos durante la prueba: inicio, 1, y 5 ciclos (final de ensayo) coo se uestra en la Figura 19. Al observar la evolución de la rigidez dináica se coprueba que, al igual que ocurría en el ensayo a gran escala, la ayor parte del daño ecánico se introduce de fora acelerada en los prieros 5 5 ciclos, ientras que durante el resto del ensayo el creciiento se ralentiza y se hace prácticaente continuo hasta el final del ensayo.

6 C din (N/ 3 ),75,7,5,, Ciclo Figura 1. Evolución de C din (ensayo reducido) Por otro lado, analizando los ensayos estáticos (ver Figura 19), se coprueba que la rigidización alcanza la isa variación que la obtenida en la edición dináica. Inicio 1,1 ciclos ciclos 5 ciclos,5 1 1,5,5 3 3,5 () Figura 19. Evolución de C est (ensayo reducido) Los resultados obtenidos indican que las condiciones del ensayo a escala reducida no noralizado, aquí definido, son ás agresivas para la anta que las del ensayo de fatiga definido en la norativa de referencia. 5. CONCLUSIONES En cuanto al aterial objeto de estudio, el coportaiento dináico del caucho revalorizado unido con resina de poliuretano, en las proporciones adecuadas y con la granuloetría y espesor óptio es adecuado para ser utilizado coo anta antivibratoria. En cuanto a la técnica de caracterización ecánica, el epleo del balasto y la placa balasto en el estudio dináico de la anta introducen un cierto carácter de aleatoriedad en los resultados que dificultará la reproducibilidad de los isos y la intercoparación entre laboratorios. Esto puede evitarse con el epleo de platos de carga de acero planos. No obstante, el epleo de estos platos de cargas origina valores de los ódulos estáticos y dináicos ás elevados. El envejeciiento en estufa rigidiza el aterial, ientras que la absorción de agua provoca su flexibilización. La variación se hace ás pronunciada en condiciones dináicas. La respuesta dináica del aterial tabién se ve fuerteente afectada por paráetros externos coo la teperatura abiental o la frecuencia de aplicación de las cargas (en el rango considerado hasta 3 Hz), rigidizando el aterial al disinuir la teperatura o auentar la frecuencia. El ensayo de fatiga a gran escala introduce la incertidubre asociada al coportaiento dináico del balasto. Se ha coprobado que en las edidas realizadas sobre el conjunto balasto-anta se producen variaciones elevadas en régien dináico y ás pronunciadas aún bajo condiciones estáticas. Sin ebargo, las edidas realizadas sobre la anta sin balasto tras el ensayo de fatiga uestran variaciones del %, únicaente, lo que deuestra que es el balasto la parte del conjunto que ás se deteriora. Por últio, se define un ensayo alternativo de fatiga a escala reducida para poder onitorizar de fora aislada la evolución del deterioro de la anta a lo largo del ensayo. Se coprueba que la duración de la prueba se puede optiizar aún ás debido a que tras 5 ciclos las variaciones de rigidez, tanto estáticas coo dináicas tienden a la estabilización. AGRADECIMIENTOS Este trabajo se desarrolla en el arco del proyecto RECYTRACK, referencia LIFE ENV/ES/51, en colaboración con Acciona Infraestructuras, Adif y AV Ingenieros. Se agradece el apoyo financiero de la Coisión Europea a través del instruento LIFE +. REFERENCIAS [1] Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares Contratación del suinistro de anta antivibratoria destinada a la línea de alta velocidad noroeste de ADIF. Abril. [] DBS , Condiciones técnicas de suinistro, Acolchado de subbalasto para reducir la carga ejercida sobre el balasto. Ensayos ecánicos. [3] Especificación Técnica ET-V-C /- U-999, Manta aortecedora de ipacto e vibração do lastro-forneciento e instalação. [] DIN 573-1:-, Mechanical vibration. Resilent eleents used in railway tracks. Part 1: Ters and definitions, classification, test procedures. [5] DIN 573-5:-, Mechanical vibration. Resilent eleents used in railway tracks. Part 5: Laboratory test procedures for under-ballast ats. [] EN ISO -:9, Acústica y vibración. Medición de las propiedades de transferencia vibroacústica de eleentos elásticos. [7] Bao Hua et al. Digital Phase Detecting Base don Hilbert Transfor and Its DSP Ipleentation. Inforation Science and Technology College, NUAA.

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