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REVISTA DO CEDS Periódico do Centro de Estudos em Desenvolvimento Sustentável da UNDB N. 1 agosto/dezembro 2014 – Semestral Disponível em: http://www.undb.edu.br/ceds/revistadoceds Um Estudo Sobre a Influência da Infraestrutura Ferroviária na Manutenção da Integridade Estrutural de Uma Via Férrea Tipo

Heavy Haul1

José Carlos Silva Filho2

Antônio Carlos Rodrigues Guimarães3

Resumo: No presente trabalho buscou-se avaliar a influência da infraestrutura ferroviária para a manutenção da integridade estrutural de uma via férrea, e a maneira segundo a qual seu estado de conservação impacta a vida útil da superestrutura. No estudo se verificou a capacidade de suporte da fundação da via através de ensaios de módulo de resiliência e deformação permanente, ensaios “in situ” para a caracterização mecânica dos materiais empregados no pavimento de uma ferrovia no norte do Brasil. A partir de ensaios de laboratório e campo obtidos, foram realizados estudos do comportamento estrutural – através da metodologia clássica (empírica) – sendo verificada a influência destas camadas como fator de redução da vida útil da superestrutura para a manutenção das condições de projeto de uma ferrovia.

Palavras-chave: Ferrovia. Infraestrutura-Ferroviária. Tensão-Deformação.

Introdução

Segundo Brown e Selig (1991), o dimensionamento de pavimentos foi

tratado de forma empírica e como uma área secundária da Mecânica dos Solos

desde as primeiras décadas do século XX. Porém com o crescimento

econômico das nações, e a necessidade crescente por transportes, buscou-se

um melhor entendimento da resposta do pavimento frente às suas solicitações,

1 Artigo apresentado em plenário na 43ª RAPv, Maceio, ano 2014. 2 Doutorando pelo Instituto Militar de Engenharia e Mestre em Engenharia Geotecnica pela Universidade Federal de Ouro Preto. Professor da Unidade de Ensino Superior Dom Bosco-UNDB. 2 Doutor e mestre pela Universidade Federal do Rio de Janeiro e Especialista em Geologia do Quaternário e Ambiental pelo Museu Nacional da UFRJ. Professor do Instituto Militar de Engenharia.

culminando com o surgimento da Mecânica dos Pavimentos, definida por

Medina (1988) como a disciplina da Engenharia Civil responsável por estudar

os pavimentos como um sistema multicamadas e que está sujeito às cargas

oriundas dos veículos que neles trafegam. Medina (1988) cunhou o termo

pavimento ferroviário, tradicionalmente conhecido como via permanente ou via

férrea. Em todos os casos o pavimento consiste de um sistema multicamadas

que interagem entre si, de forma a dissipar as solicitações da grade sem

grandes deformações, condição imprescindível para a segurança das

composições que trafegam na via.

Figura 1: Modelo estrutural da via férrea como um sistema multicamadas (SELIG e WATERS, 1994).

1. Metodologia e Materiais

Em ocorrências ferroviárias grande parte das investigações aponta como

principal motivo de falhas a superestrutura, muito em função de ser esta

camada a que recebe diretamente as solicitações das composições.

Entretanto, uma vez que as camadas que compõem a via interagem

diretamente entre si, demandam uma abordagem conjunta para a real

determinação da causa raiz. Na investigação da ocorrência ferroviária, foi

indicado como causa determinante, falhas no esmerilhamento, que gerou

propagação de trincas, culminando através de fadiga mecânica em uma fratura

transversal do trilho, conforme Figura 2.

Figura 2: Trilho fraturado devido à propagação de trincas culminando em fratura transversal

Para o presente trabalho, como forma de verificar a capacidade de suporte

da plataforma ferroviária, e a possibilidade do seu estado de conservação ter

contribuído de forma significativa para o sinistro ocorrido, iremos abordar:

• As avaliações geofísicas do local com utilização do Geo Gauge

Humboldt H4140;

• Informações geradas através do vagão instrumentado;

• Ensaios utilizando o equipamento DCP (Dynamic Cone Penetration)

para determinação “in situ” da capacidade de suporte da plataforma;

• Coleta deformada do material e envio ao laboratório do IME no Rio de

Janeiro para ensaios de módulo resiliente;

• Cálculo comparativo da capacidade de suporte do material da

plataforma ferroviária nas situações “in situ” e ótima determinada em

laboratório.

1.1 Avaliação com GeoGauge

O Geo Gauge é um instrumento portátil que permite a medição da rigidez e

do módulo de Young dos materiais, ao provocar minúsculas deformações ao

solo, (da ordem dos 10-6mm), por vibrações em 25 frequências diferentes

situadas entre 100-196Hz. O aparelho registra o valor da rigidez para cada uma

dessas frequências e apresenta, no final do ensaio, o valor médio. O Geo

Gauge faz uma medição da impedância, isto é, da força aplicada ao solo e da

resultante deflexão em função da frequência.

Figura 3 – Geo Gauge Humboldt H-4140

Tabela 1 – Leituras com GeoGauge no trecho da ocorrência ferroviária

Não foi executada uma leitura específica no ponto exato da fratura, porém

existem dados muito próximos da ocorrência, mostrando claramente a baixa

capacidade de suporte da plataforma. Dimensionando-se a plataforma

ferroviária pelo método clássico (Talbot, Zimmerman ou Eisenmann), para a

camada de sublastro os valores de CBR deveriam ser superiores a 25%, o que

não se verifica nos ensaios de campo com este equipamento.

1.2 Avaliação com Vagão Instrumentado

Para este tipo de avaliação foi utilizado dados coletados através de um

vagão instrumentado equipado com células de cargas, acelerômetros, strain

gauges e transdutores de pressão para avaliar os impactos da via, conforme

Figura 4.

Km Módulo de Resiliência (Mpa)

CBR (%)

858+780 23,57 2,3858+700 64,93 6,3

Figura 4 – Fotos vagão instrumentado

A interface com a via cria movimentos que são registrados e classificados

em 3 (três) níveis de severidade (Tabela 2). Estes movimentos são assim

apresentados:

Suspension Travel : Defini-se como o deslocamento de somente uma das

suspensões em relação as demais. O movimento ocorre quando uma

suspensão (celula de carga) realiza descolocamento de maneira destinta em

relação as outras. Como ilustrado na figura 6 onde as rodas do veiculo estão

comprimidas e a roda dianteira esquerda livre e “flutuando”.

Figura 5 – Suspension Travel

Bounce : É definido como os deslocamentos do truque traseiro e do truque

dianteiro no mesmo momento ou seja de forma simultana. Geralmente o

movimento esta relacionado ao movimento de Pitch.

Pitch: Tambem conhecido como arfagem, este movimento de rotação em torno

do eixo horizontal transversal, se da pela elevação de um truque em relação ao

outro.

Baterias

Painéis solares

Gabinetes eletrônicos

Antena do GPS.

Figura 6 – Bounce e Pitch

Body rock: Rotação em torno do eixo horizontal longitudinal do trem, balanço

da caixa. Ou diferença entre o lado direto e esquerdo.

Figura 7 – Balanço

Acceleration: Movimento causado por qualquer aceleração brusca do vagão,

como por passagem por AMV (aparelho de mudança de via), PN (passagem de

nivel), rigidez da linha entre outros.

Níveis de severidade:

• Severidade 1 – É recomendada a restrição de velocidade imediatamente

para minimizar riscos e danos à via.

• Severidade 2 – Risco intermediário requer inspeção/visita da

manutenção e monitoramento usando os dados do vagão

instrumentado.

• Severidade 3 – Baixo risco do evento, monitoramento usando os dados

do vagão instrumentado.

Os movimentos são classificados de acordo com os tipos de movimento e

severidade obedecendo a parâmetros desenvolvidos especificamente para

cada via. A tabela abaixo corresponde à ferrovia do presente estudo situada no

norte do país.

Tabela 2 – Limites por tipo de movimento

De posse do entendimento dos movimentos mapeados pelos vagões

instrumentados, foi realizado o levantamento das informações anteriores à

ocorrência ferroviária, que demonstrou variações significativas na dinâmica de

via, conforme Figura 8.

Figura 8 – Resultado leitura do vagão instrumentado

Na figura 8, o gráfico da aceleração demonstra alterações significativas

exatamente no ponto de fratura. Utilizando as premissas apresentadas

anteriormente sobre severidade, apresenta-se na Figura 9, o resultado gerado

pelo impacto da composição, demonstrando claramente que neste segmento a

via encontra-se com alguma falha, porém apenas com os dados da

instrumentação do vagão não é possível a determinação da causa desta

fragilidade.

Figura 9 – Severidade avaliando-se a aceleração

1.3 Análise “in situ” com DCP (Dynamic Cone Penetration)

Para esta avaliação, utilizou-se o DCP que é um equipamento projetado

para uma rápida medição “in situ” das propriedades estruturais de pavimentos

construídos com materiais heterogêneos a partir da relação de golpes

necessários para a penetração de um cone de dimensões especificadas na

camada em estudo.

Figura 10 – Esquemático DCP

A Figura 11 apresenta o esquemático de execução dos ensaios no trecho

da ocorrência ferroviária. O ensaio foi realizado na plataforma ferroviária na

jusante da declividade da drenagem da plataforma nos primeiros 90 cm, de

forma a compreendendo assim as camadas de sublastro e subleito.

1,006,00

11,0016,0021,0026,0031,0036,0041,0046,0051,00

Acceleration

Acceleration

Severidade 1

Severidade 2

Severidade 3

Restrição

Figura 11 – Locacional do ensaio

A relação do DCP com a resistência do solo (CBR) é definida pela

declividade da curva que associa o número de golpes na abscissa pela

profundidade de penetração (em mm/golpe) nas ordenadas, considerando um

determinado segmento linear. Nos gráficos a seguir, foram identificados os

horizontes do solo em função da mudança da curva, determinando assim a

variação da resistência.

Figura 12 – Resultado do ensaio de DCP

Transformando-se através de correlação as informações da penetração

para determinação da capacidade de suporte da plataforma (CBR), temos a

confirmação que no trecho da ocorrência ferroviária, situava-se o exato ponto

de menor resistência da fundação da via férrea, conforme Tabela 3. Para este

trabalho utilizou-se duas formulações, Oliveira/Vertamatti e Heyn.

Tabela 3 – Valores de CBR obtidos através de correlação do ensaio de DCP

Tabela 4 – Valores de CBR obtidos através de correlação do ensaio de DCP

Utilizando como premissa os limites indicados anteriormente, os primeiros

25 cm deveriam apresentar valores de CBR em torno de 25%, e os 60 cm

seguintes valores superiores a 8%. Esta condição foi verificada em todos os

pontos excetuando-se o local da fratura e o Ponto 3 após a profundidade de 50

cm.

Nos Pontos 2, 3 e 7, o ensaio determinou 3 camadas distintas, divergindo

assim dos outros pontos estudados com apenas 2 camadas, isso se deu, pela

cravação do material pedregulhoso e o seixo encontrado na camada de

sublastro no subleito (Figura 13), melhorando assim as propriedades da

segunda camada. Todavia, alertamos que este fenômeno só foi possível devido

à saturação do pavimento ferroviário. No Ponto 7, se verificou este mesmo

fenômeno, porém como no lado a montante da via, existe baixo acúmulo de

água em função do caimento da plataforma, o comportamento mecânico

apresentou valores quase 5 vezes maiores em uma mesma seção transversal,

se compararmos com o ponto da fratura.

DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%)

Camada 01 19,57 13,3 Camada 01 5,1 55,2 Camada 01 8,75 31,219,57 9,3 5,1 53,2 8,75 26,4

11,3 54,2 28,8



14,6 18,7 72,4



2,7 5,7 13,5

Camada

12

CamadaPonto 2 (Fratura)

Ponto 2 (POD)

30

22

40

10

55 55

Ponto 7

CamadaPonto 7 ( lado oposto à fratura)

Ponto 7

20

25

Ponto 3

Ponto 3

Ponto 3Ponto 2 (POD)

DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%)

Camada 01 Log(CBR) = 2,49 - 1,057.Log(DN) 7,58 36,3 6,07 45,9 4,91 57,5 4,91 57,5CBR = 442,45.(DN) elev(-1,30) 7,58 31,8 6,07 42,4 4,91 55,9 4,91 55,9

Média 34,1 44,2 56,7 56,7

DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%)

Camada 02 Log(CBR) = 2,49 - 1,057.Log(DN) 13,73 19,4 17,59 14,9 11,63 23,1 11,63 23,1CBR = 442,45.(DN) elev(-1,30) 13,73 14,7 17,59 10,6 11,63 18,2 11,63 18,2

Média 17,0 12,8 20,7 20,750

Ponto 4

Ponto 4

Ponto 1

Ponto 1

EquaçãoPonto 6 Ponto 5

Camada

EquaçãoPonto 6 Ponto 5

40

Figura 13 – Poço realizado para coleta de amostra deformada e visualização dos horizontes do pavimento

1.4 Ensaios Laboratoriais

O material coletado foi acondicionado e enviado para o laboratorio no

Instituto Militar de Engenharia (IME) na cidade do Rio de Janeiro para ensaios

de módulo de resiliência na umidade “in situ” e ótima, para realização do

estudo comparativo da capacidade de suporte devido a esta variação da

condição do material da plataforma na situação campo x laboratório.

O módulo de resiliência é obtido através de ensaio triaxial que avalia a

deformação permanente gerada por ciclos de aplicações de cargas, de forma

que foi possível a realização de ensaios de módulo resiliente, que é a relação

entre a tensão desvio (σd) aplicada repetidamente e a deformação elástica

axial (εa) resultante, para uma certa condição de ensaio ( número de repetições

da carga, tempo de aplicação, frequência, umidade, densidade, tipo de

compactação, etc).

MR= σ d / εa (DNER ME 131/94)

Tabela 5 – Ensaios de módulo de resiliência nas umidades “in situ” e ótima

A Tabela 5 apresenta claramente a perda da capacidade de suporte do

material em função da condição da via. Houve a ruptura do corpo de prova

quando do último ciclo do ensaio na umidade “in situ”, porém na avaliação do

material na umidade ótima, obteve-se resultados bastante interessante para

atendimento a ferrovias de cargas pesadas.

2. Análise da Tensão Admissível Através da Metodologia Clássica

A grande maioria de projetos ferroviários, considera para o cálculo de

tensão admissível para sublastros e subleitos ferroviários a fórmula de

Heukerlom proposta em 1964 que é definida como:

NMr

adm log.7,01.006,0

+=σ

UMIDADE "IN SITU" UMIDADE ÓTIMA (lab.)

ciclo Tensão Confinante (MPa)

Tensão Desvio (MPa)

Módulo Resiliente (MPa)

Módulo Resiliente (MPa)

1 0,021 39 416 2 0,021 0,041 68 380 3 0,062 89 351 1 0,034 58 659 2 0,034 0,069 96 387 3 0,103 114 352 1 0,051 73 628 2 0,051 0,103 118 371 3 0,154 137 337 1 0,069 91 497 2 0,069 0,137 130 377 3 0,206 150 345 1 0,103 109 494 2 0,103 0,206 151 398 3 0,309 167 375 1 0,137 510 2 0,137 0,275 418 3 0,412 373

Sendo:

Mr = módulo de resiliência do material (kgf/cm2);

N = número de ciclos

Para fins de cálculo adotaremos o N = 2,64x108, o que daria para uma

malha de média densidade de trem na via, um período de projeto em torno de

20 anos, e para os valores de módulo utilizaremos a média dos valores

encontrados nos ensaios realizados com as umidades (h) “in situ” e ótima no

laboratório do IME no Rio.

28)""( /94,0

1064,2log.7,011090.006,0 cmkgf

xinsituhadm →+

=σ

28)( /33,3

1064,2log.7,013840.006,0 cmkgf

xhótimaadm →+

=σ

2.1. Cálculo da Carga Dinâmica Considerando 32,5 t/eixo (ferrovia de

carga pesada)

PCP dd .=

Sendo:

Pd = carga de roda vertical dinâmica

P = carga de roda estática – 162,50 kN

Cd = fator de carga

O método americano de cálculo do fator de carga é baseado na

recomendação da AAR (Association of American Railroads), fornecido pelo

manual da AREMA, através da relação:

wd D

VC .2,51+=

Onde:

V = velocidade (km/h) – 80km/h

Dw = diâmetro da roda (mm) – 914,40 mm

Então:

kNPd 42,2364,914

80.2,51 →

+=

2.2. Pressão no Lastro

Segundo STOPATTO (1987), o valor da reação pode também ser obtido

através da equação de Driecsen em que:

dxCNPR =

Onde:

Cd= coeficiente dinâmico;

P = carga aplicada sobre um dormente

dDN =

Onde:

D= distância entre eixos de um truque – 183 cm

d = espaçamento entre dormentes – 61 cm

Sendo assim:

0,361

183→=N

kgfxR 17,785445,10,3

16250→=

Para o cálculo da área de contato dormente/lastro utilizaremos a fórmula de

SCHRAMM (1961).

bsLAs ).( −=

Onde:

s = distância de eixo a eixo entre trilhos (bitola larga) – 160cm

b = largura do dormente – 24cm

2240024).160260( cmAs →−=

Finalmente, a pressão do lastro pode ser calculada conforme abaixo.

2/27,3

240017,7854 cmkgf

ARPm

b

→→=

2.3. Tensão no Sublastro

Para o cálculo da tensão do lastro no sublastro utilizaremos a fórmula de

Talbot adotada pela AREMA.

Onde:

σc = tensão sob a linha de centro do dormente

σm = tensão média uniformemente distribuída na base do dormente

h = profundidade abaixo da base do dormente

2

25,1 /51,230

27,3.87,53 cmkgfc →=σ

25,1

.87,53h

mc

σσ =

Realizando o comparativo com os resultados obtidos através da fórmula de

Heukerlom, temos a tensão admissível muito inferior à tensão propagada para

o sublastro, tendendo a ruptura.

)(/94,0/51,2 22 nokcmkgfcmkgf >

Porém quando avaliamos o material na umidade ótima, o comportamento

mecânico atende perfeitamente as solicitações.

3. Conclusão

A causa da fratura deu-se em função da quebra do trilho através da

propagação de trincas. Porém, após avaliação de todos os dados inerentes ao

trecho, fica claro que a condição da via, contribuiu de forma determinante para

a aceleração da fadiga do trilho, em função das altas deformações (deflexão)

devido à baixa capacidade de suporte da fundação da via.

Referência Bibliografica

AMERICAN RAILWAY ENGINEERING ASSOCIATION – AREA, “MANUAL OF RECOMMENDED PRACTICE”. Chicago, 1964.

AMERICAN RAILWAY ENGINEERING ASSOCIATION. “Second Progress Report of the Special Committee on Stresses in Railroad Track”. Bulletin of AREA, Vol. 19, Nº 205, March, pp. 875-1058.

AREA. “Stresses in Railroad Track – The Talbot Reports”, 1980.

MILITITSKY, J.; CONSOLI, N.; SCHNSID, F. Patologia das Fundações. São Paulo, Oficina dos Textos, 2006.

SCHRAMM, G. Permanent Way Technique and Permanent Way Economy. 1. Ed. Otto Elsner Verlagsgesellschaft, Darmstadt, 1961.

STOPATTO, S. Via permanente ferroviária: conceitos e aplicações. Ed. T.A. Queiroz: Ed. Universidade de São Paulo: CBTU: São Paulo, Brasil, 1987.

)(/33,3/51,2 22 okcmkgfcmkgf <

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