mapeamento geotecnico da estada de ferro EFC

7/26/2019 mapeamento geotecnico da estada de ferro EFC

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MODELO COMPUTACIONAL TRIDIMENSIONAL DE FERROVIA PARAANALISE POR ELEMENTOS DE DESCRIO FINITOS - ESTUDO DE CASO DAESTRADA DE FERRO DE CARAJS

RESUMO constante a busca por bons resultados dentro da rea da construo ferroviria, hoje em dia possvelconfeccionar modelos computacionais ferrovirios que reproduzam sua estrutura e as analisam quandosolicitadas por foras externas, atravs dos mtodos de elemento finitos de descrio computacional, entretanto imprescindvel um bom modelo tridimensional computacional, pois os bons resultados da analise atravs desoftware como o ABAQUS, so um reflexo de um bom modelo computacional tridimensional, caso este seja mal

confeccionado seus resultados no iram reproduzir os reais estados de campo, e o objetivo deste estudo aconfeco de um modelo solido tridimensional de um trecho da estrada de ferro de Carajs, passando pelamodelagem dos elementos de superestrutura (trilho, dormentes, lastro) e infraestrutura (subleito), atravs dossoftwares Rockworks, Autocad e ARCGIS, utilizando de dados de sondagens tipo SPT e geometria da via, paraelaborao do subleito e superestrutura ferroviria, respectivamente.

ABSTRACTIt is a constant search for good results within the railway construction area, nowadays it is possible to make railcomputational models that reproduce its structure and analyze them on request by external forces, through finiteelement methods of computational description, though one is indispensable good dimensional computationalmodel, for the good results of the analysis via software such as ABAQUS, are a reflection of a good three-dimensional computer model, if it is badly made its results iram not reproduce the actual states of the field, andthe aim of this study is the making of a three-dimensional solid model of a section of the Carajs railroad,through modeling of the superstructure elements (rail, sleepers, ballast) and infrastructure (subgrade) throughRockWorks software, AutoCAD and ArcGIS using data SPT polls and track geometry, to prepare the subgradeand railway superstructure, respectively.

1 INTRODUOA representao do real em escala reduzida o objeto de estudo da cartografia, entretantoestes dados esto apenas em duas dimenses a exemplos temos os mapas temticos, cartasnuticas, plantas baixas, seces transversais, etc, mas sabemos que os objetos na realidadetem volume, portanto uma terceira dimenso foi introduzida no sistema cartesiano, para quefosse possvel a elaborao de modelos com volumes que podem ser representar por exemploum parafuso ou um avio atualmente este tipo de estudo vem sendo realizado dentro da rea

da indstria ferroviria, com o objetivo de avaliar as foras atuantes em todo o sistema desuperestrutura e infraestrutura, e propor melhorias na calculo, construo e manuteno damesma.

O desgaste no corpo ferrovirio inevitvel por se tratar de uma estrutura que esta exposta aelevadas cargas oriundas dos veculos ferrovirios, exposta a elementos agressivos, etc,

portanto a manuteno tambm inevitvel com custos bastantes elevados anualmente, estesgastos podem ser oriundos de vrios varotes sejam com troca de peas, desgaste do lastro,requalques excessivos do subleito, entretanto esta manuteno realizada conforme oselementos esto visualmente danificados, isso muito preocupante para a ocorrncia deacidentes, e com o objetivo de diminuir gastos com manuteno, e fazer uma manutenomais inteligente com previso de possveis acidentes, melhorar os paramentos de projetos,


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melhorar o aproveitamento dos elementos constituintes da ferrovia que atualmente sorealizados modelos tridimensionais que representem o pavimento ferrovirio quandosolicitado por foras externas, este tipo de estudo tem resultados bastantes estimulante emoutras reas como a aeroespacial.

A modelagem digital dos elementos componentes de uma ferrovia o objetivo principal desteestudo, levando em considerao as varias maneiras de confeco de modelos derepresentao em 3 dimenses, sendo este um passo muito importante para a modelagem docomportamento de uma ferrovia dentro de software como o ABAQUS ou qualquer outro,outros passos so a instrumentao, onde sero realizados ensaios de campo onde as tenses,deformaes, temperatura e umidade sero obtidas, estudos geotcnicos atravs de ensaios decampo e laboratrio para a obteno de parmetros dos solos e materiais granularescomponentes da via permanente.

Os desafios para elaborao de um modelo computacional ferrovirio esta na obteno de

dados relevantes como: geometria da via distancias e estudos do subsolo, avaliao dasmelhores tcnicas de modelagem de solido que se adequa ao objeto de estudo neste caso umaferrovia, melhores software para elaborao dos modelos, etc.

2 INFRAESTRUTURA FERROVIARIA ESTRADA DE FERRO CARAJASO conceito de pavimento dado pelo DNIT como Estrutura construda aps a terraplenagem,destinada a resistir e distribuir ao subleito os esforos verticais oriundos dos veculos, amelhorar as condies de rolamento quanto ao conforto e segurana e a resistir aos esforoshorizontais tornando mais durvel a superfcie e rolamento, este conceito abrangente para o

pavimento ferrovirio o que o difere de um pavimento ferrovirio sua superestrutura e osveculos solicitantes, a superestrutura de uma ferrovia consiste no trilho, dormente, lastro, a

possibilidade ou no do sublastro e o subleito conforme mostra a figura abaixo:

Figura 01: Elementos componentes de uma ferrovia

A estrada de ferro de Carajs tem a extenso de 892 quilmetros atravessando dois estados oPar e o Maranho, o objetivo da ferrovia ligar a mina de ferro no municpio de Carajs como porto da ponta da madeira localizado em So Luis, tem como principal funo o transportede minrio de ferro da mina em Carajs ao porto em So Luis, para que a mercadoria alcancemercados exteriores, tambm existem vages para o transporte de pessoas, a carga mxima de 290 toneladas sendo por eixo a quantidade de 35 toneladas, a velocidade media dalocomotiva de 80km/h, sua superestrutura convencional, ou seja existe o lastro e osublastro em sua composio.


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Figura 04: a) entidades geradora do mapeamento; b) solido gerado pela extruso

3.2 Solido gerado por sweeps curvoEsta tcnica difere da anterior da maneira que o arrasto da seo transversal e feito ao longode uma cursa no espao, a malha associada a superfcie pode formar elementos triangulares ouquadrilteros.

Figura 05: a) Entidade geradora do sweep; b) solido gerado pelo sweep curvo

3.3 Gerao de malhas no estruturadas- malhas em superfciesOs algoritmos utilizados para gerao de malhas no-estruturada de superfcies mesclamtcnicas de avano de fronteira com a decomposio espacial recursiva, este tipo de

aulgaritmos so utilizados quando requisitos no so tratados diretamente, produzindoelementos com boa forma evitando a gerao de elementos com m qualidade.A gerao de malhas em superfcies e a gerao de malhas triangulares em superfcies comgeometria arbitraria utilizando a sua descrio paramtrica, esta descrio utiliza dealgoritmos de triangulao bidimensional com correes das distores da geometria dasuperfcie.

Figura 06: a) Sem considerar distores; b)considerando as distores

4 MODELAGEM TRIDIMENSIONAL DE SUBSOLOA modelagem tridimensional de subsolo vem ganhando espao dentro da construo civil,suas aplicaes so variadas vai desde um mapeamento de um simples escavamento, para aavaliao de uma barragem de enrocamento, os dados para elaborao de modelos de subsolo

podem vim de vrios tipos de prospeco de subsolo, podendo ser de dois tipos os destrutivos,onde so realizados furos in loco no terreno com objetivo de analis-lo, e os no destrutivos

que so realizados com equipamentos como os radares.


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4.1 Sondagem do tipo SPTA sondagem do tipo SPT um tipo de prospeco destrutivo que realizado in loco este tipode sondagem valida apenas para solos, no sendo aplicado a rochas ou materiais com uma

rigidez alta, o ensaio consiste na cravao de um amostrador contra o solo utilizando da foragravitacional, atravs de golpes com martelo com caractersticas padronizada, a cravao realizada de metro a metro, e para cada metro avanado sobre o solo so anotados os nmerosde golpes necessrios para a cravao dos primeiros 45cm de perfurao, separados tambm acada 15 cm, no final para cada metro temos um numero do SPT, e outros dados como aconsistncia, litologia, nvel fretico, etc.

Figura 07: a) Execuo do ensaio de SPT; b) relatrio de uma sondagem tipo SPT

Para a elaborao do modelo de subsolo de um trecho da ferrovia de Carajs foi utilizado assondagens do tipo SPT, que foram cedidas pela empresa VALE ao projeto em conjunto com a

UFPA (Universidade Federal do Par), para a realizao de um modelo geomtrico e analisedentro do software ABAQUS, em um total de 07 sondagens.

4.2 Elaborao do modelo de subsoloAs etapas para elaborao de um modelo de subsolo dentro do software ROCKWORKS, osdados apresentados aqui foram todos cedidos gentilmente pela empresa VALE, que umagrande incentivadora de novas pesquisas na rea de infraestrutura ferroviria.

Levantamento de sondagens da rea de estudo em conjunto com a base cartogrfica, foramutilizados em um total de 07 sondagens do tipo SPT, dispostas conforme o mapa, e a cota da

boca do furo foi retirado aps o georreferenciamento do mesmo mapa.


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Figura 08: Mapa com os dados de perfis de sondagem STP e greides de um trecho da EFC

O mapa utilizado como a base cartogrfica foi georreferenciado no sistema de referencia

SIRGAS 2000, e com isso foram possveis retirar as coordenadas de cada boca do furo desondagem, outro mapa utilizado foi o mapa de curvas de nveis.

Figura 09: Mapa da planta baixa e curvas de nveis de um trecho da EFC

O tpico trabalho dentro do Rockworks para a elaborao de um modelo tridimensional desubsolo consiste nas seguintes etapas: analise dos perfis de sondagem e elaborao doshorizontes para o lanamento dos dados no programa ROCKWORS, lanamento

propriamente dito dos dados de sondagem no programa de modelao de subsuperficies;processamento dentro do ROCKWORKS, e por fim o resultado final o modelo em trsdimenses representativo do subsolo de um trecho da estrada de ferro de Carajs.

O modelo geomtrico de subsuperficies que realizado dentro do Rockworks utiliza damodelagem de superfcies, atravs de tringulos no estruturado, as dimenses do modeloforam de 200mts de cumprimento e 20 de largura 10mts para cada lado a partir do eixo daferrovia e a profundidade quem calculado pelo software ROCKWORKS levando em conta as

profundidades da sondagens do tipo SPT, e a mesma pode variar entre 2 a 9 metrosdependendo do local de analise, estudos mostram que as tenses geradas a partir de umcarregamento de um trem no ultrapassa os 5 metros dentro do subleito, e o resultado finaltem o arquivo de extenso prpria do ROCKWORKS, que para este estudo dentro do prprio

programa exportado para o sistema CAD no formato DWG.


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Figura 10: Modelo tridimensional do subsolo de um trecho da EFC

5 Modelagem geomtrica solida dos elementos constituintes da supraestrutura ferroviaOs elementos constituintes de uma ferrovia so bem definidos quanto as suas caractersticasgeomtricas, quando levamos em considerao os trilhos, fixaes, placas de apoio estes sosimples de se representar em um modelo geomtrico de slidos, entretanto quanto ao lastro e

o sublastro suas caractersticas so bastante modificadas, isso ocorre pelo constante requalqueque a via sobre na sua utilizao, as constantes manutenes que modificam suascaractersticas.

Existem muitos desafios a serem quebrados so enormes para a reproduo de um modelogeomtrico de qualquer elemento, seja um simples parafuso ou a modelagem de um avio, osseguintes conhecimento so imprescindveis na

Figura 11: Corte esquemtico da seo transversal de uma ferrovia considerada caracterstica

5.1 TrilhoOs trilhos so estruturas de ao as quais esto dispostas longitudinalmente na via

dispostos acima dos trilhos e fixado no mesmo com o auxilio de fixadores tambm de ao, asprincipais funes dos trilhos so de transmitir e distribuir as cargas oriundas da passagem

dos trens para os dormentes, orientar a trajetria do trem, fornecer uma superfcie de rolagemadequada para a passagem do trem e distribuir as foras de frenagem, acelerao e outrasoriundas da passagem do trem (KLINCEVICIUS, 2011), a elaborao do modelocomputacional levou-se em considerao as dimenses mencionadas em livros, a modelaogeomtrica foi realizada seguindo as tcnicas de SWEEP de extruso dentro do softwareAUTOCAD, gerando um arquivo no formato DWG.


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Figura 12: a) Trilho com suas dimenses caractersticas; b) modelagem solida do trilho

5.2 Fixaes e placa de apoioAs fixaes so compostas da placa de apoio que tem como funo de aumentar a distribuiodas tenses no dormente, pregos ou parafusos de fixao que tem como funo a de manter a

placa de apoio presa no dormente e as fixaes propriamente ditas que podem ser rgidas ouelsticas, esta estrutura de extrema importncia para o pavimento ferrovirio pois sua funo

e de manter o trilho fixo na placa de apoio, caso esta n~]ao cumpra com o seu objetivo astenses oriundas da passagem do trem podem ser distribudas de forma a ser aplicada grandesforas em pequenas reas, este um grande problema para a construo e operaoferroviria. (KLINCEVICIUS, 2011)O sistema de fixao foi elaborado dentro do software AUTOCAD em formato de DWG, omodelo de modelagem utilizado foi o de extruso para a placa de apoio e fixaes e deSWEEP de curva para os parafusos de fixao.

Figura 13: a) Dimenses padro das fixaes; b) modelagem solida das fixaes

5.3 DormentesOs dormentes so elementos que podem ser confeccionado em madeira, concreto, ao e

polmero, na ferrovia de ferro de Carajs possvel encontrar dois tipos de dormentes demadeira e concreto, a funo do dormente transmitir as foras oriundas do trilho de formahomognea para o lastro, manter a bitola padro, dar resilincia ao sistema ferrovirio(SPADA, 2003), as dimenses foram retiradas de arquivos oriundos da internet, a modelagemgeomtrica solida do dormente de madeira foi realizada dentro do software AUTOCADgerando um arquivo do tipo DWG, o tipo de modelagem geomtrica utilizado foi o de Speeds

por extruso.


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Figura 14: a) Dimenses padro do dormente; b) modelagem solida do dormente

5.4 LastroO sublastro corresponde a uma camada finita composta de material granular geralmente bemgraduado e esta localizado entre o subleito e o lastro, as principais funes do sublastro so:reduzir as cargas que so transmitidas pelo lastro, com o carregamento que imposto notrilho, a fim de reduzir a tenses menores que as admissveis pelo subleito, evitar o

bombeamento de finos para o lastro isso ocorre devido a ao da agua no solo (subleito), oqual atravs do carregamento que imposto pela ferrovia tende a ser injetado no lastro,

alterando assim propriedades do lastro e fazendo com que o lastro perca a funo a qual devecumprir e a reduo da espessura do lastro afinal o material utilizado no sublastro bem maisbarato que a fabricao artificial de brita (KLINCEVICIUS, 2011), o modelo computacionalgeomtrico do lastro foi elaborado com uma espessura mnima de 30cm, podendo ser maiordependendo do modelo de subsolo caso exista depresses elevadas no mesmo, a modelagemde slidos foi realizada dentro do software AUTOCAD e utilizou das tcnicas de modelagemde superfcies.

Figura 15: a) Imagem do lastro; b) modelagem computacional solida do lastro

6 RESULTADOSComo ate agora foram realizados diferentes modelagens de todos os elementos componentesdo pavimento ferrovirio, independente cada um em um diferente arquivo e diferentes

software, foi necessrio a utilizao de ferramentas dentro do AUTOCAD para montar emanter os superfcies de contato segundo as representaes de campo.

6.1 Montagem dos elementos componentes da ferrovia dentro da plataformaAUTOCADO objetivo destes estudo ainda no esta totalmente concretizado devido as grandes diferenasentre os elementos, foram necessrios a utilizao de diferentes tipos de modelagemgeomtrica de solido, em diferentes plataformas, portanto para finalizar o modelo geomtricoda estrada de ferro de Carajs, foi necessrio a montagem dos diferentes elementos em apenasum arquivo e sendo apenas um elemento.


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O modelo de subsuperficie foi elaborado dentro do software ROCKWORKS, portanto foinecessrio exportar para um arquivo comum com os outros elementos modelados, ento a

plataforma utilizada para isso foi o AUTOCAD em um formato DWG, dentro do software foipossvel a utilizao de ferramentas do prprio programa para fazer a montagem final do

modelo computacional representativo da estrada de ferro de Carajs.

Figura 16: Montagem do modelo tridimensional da EFC

6.2 Subsuperficies de contato entre os elementos do modelo computacional

Nesta etapa foi dada uma ateno especial para a regio de contato entre todos os elementosdo modelo computacional da ferrovia, foram retiradas todas as linhas ou polilinhas quepoderiam esta dentro do programa, deixando apenas os objetos slidos que representam asupraestutura e infraestrutura da ferrovia, e as machs foram sobrepostas de maneira que os

pontos de unio chamdas de Nodes, n em portugus, estivessem

6.3 Modelo geomtrico computacional de um trecho da estrada de ferro de Carajs para futuras avaliaes atravs de mtodos finitosPor fim a elaborao do modelo computacional titulado de modelo solido computacionalrepresentativo de uma ferrovia convencional.


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Figura 17: Modelo computacional de um trecho da estrada de ferro de Carajs

Figura 18: modelo computacional solido de um trecho da estrada de ferro de Carajs EFC

7 DISCUSSES E CONCLUSES

A engenharia aero espacial utiliza muito de modelos slidos para representar um avio sejaem escala reduzida ou computacional, quando solicitado em atividade como o empuxo eoutras foras atuam contra sua fuselagem, isso tambm ocorre na indstria do petrleo naanalise de furos a grandes profundidades, como a ao da mares e a presso no solo atuaramquando este furo for executado, tais exemplos so de industrias fortes e milionria, este tipovem ganhando cada vem mais importncia dentro da rea da engenharia civil que tambm um indstria milionria, entretanto precria e arcaica, mas existem grandes estudos sendorealizado na rea de pavimentao ferroviria com o objetivo de analisar os esforos oriundosdo carregamento dos trens.


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Para que se possa representar qualquer um objeto dentro de um software de do modelagem

por elementos finitos e necessrio a modelao geomtrica deste elemento, para isso podemser utilizados diversos programas que geram e exportam arquivos em trs dimenses, o

desavio esta na interpretao de um desenho em duas dimenses para um modelo espacial, asdimenses devem ser fielmente reproduzidas sem nenhum erro, pois se o modelo degeomtrico no reproduzir por intermdio do computador o real materializado no campo, seusresultados podem ter uma grande possibilidade de serem equivocados, dai a importncia queque deve ser dada a modelagem geomtrica espacial aplicado a analise de esforos dentro daconstruo civil mais especificamente na construo de pavimentos ferrovirios.

O modelo foi considerado de sucesso, pois as dimenses foram proporcionais aos elementosda realidade, desta maneira no conduziram a erros muito mensurveis nas posteriores analisedentro do ABAQUS, para o modelo tridimensional de subsolo a existncia de software queutilizam de dados de sondagens para a modelao de subsolo foi de extrema importncia na

reproduo do subsolo, pois trata-se de uma modelagem confivel onde as camadas estototalmente em contato entre si e o lastro do pavimento.

Com o provimento deste nova maneira de se analisa elementos reais dentro da construocivil, dar-se inicio a um marco o de analise computacionais, qualquer estrutura poder sermodelada e analisada dentro de software especializados, entretanto sabemos que a indstria daconstruo civil ainda muito antiga e com tcnica ultrapassadas, em especial a de construoe operao de ferrovias, tais estudos ainda so bastante pontuais dentro da construo civil,mas aos poucos so vistos estudos por analise por geometria computacional espacial.

AgradecimentosO desenvolvimento desta pesquisa teve o apoio da FAPESPA, VALE, no incentivo ainiciao cientifica e em especial ao Prof. Denilson Sodr.

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