Simulação dinâmica (laboratório):
defeitos da geometria da Via
Permanente
Jéssica Andrade Prata
Prof. Fernando Abecê
Prof. Dr. Gilberto Fernandes
SIMULAÇÃO DINÂMICA (LABORATÓRIO): DEFEITOS
DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE
SUMÁRIO
Introdução/Contextualização
Embasamento Técnico
Desenvolvimento
Conclusões/Projeções
Referências Técnicas
SIMULAÇÃO DINÂMICA (LABORATÓRIO):
DEFEITOS DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE
Introdução/Contextualização
No funcionamento de uma ferrovia com a parte principal
denominada VPF (Via Permanente Ferroviária), destaca-se o contacto
roda/trilho, caracterizado pelas sub-superfícies aço/aço e assentados sobre
uma plataforma, infra-estrutura indispensável ao conjunto; nesta destaca-se
o que possui importância mais significante, denominado lastro da ferrovia.
A simulação em laboratório, via equipamento, objetiva reproduzir
as ações que solicitam o lastro em uma via permanente ferroviária,
incluindo todas as variáveis que provocam alterações no material, vistas em
intervalos de tempo muitas vezes menor que em tempo real.
Para que o lastro possa apresentar desempenho satisfatório, deve
cumprir as funções seguintes, segundo o entendimento de Muniz da Silva
(2002):
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DEFEITOS DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE
Resistir a
forças
verticais,
laterais e
longitudinais
, a fim de
manter a VPF
em
condições
operacionais
Dotar a
VPF de
resiliência
adequada
Possuir vazios,
em tamanho e
volume,
suficientes para
alojar materiais
finos de
contaminação
(por quebra) e
permitir a
movimentação
destas
partículas finas
Facilitar a
recomposição
da geometria
da VPF, por
equipamento
s mecânicos,
na reposição
do lastro e/ou
no seu
recondiciona
mento
Possuir e
manter
alta
capacidade
drenante
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DEFEITOS DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE
Diminuir a
propagação
sonora dos
ruídos
causada
pelas
composições
Manter
adequada
resistência
elétrica
entre os
trilhos
Reduzir as
tensões,
principalmente
na região de
apoio dos
dormentes, a
níveis
compatíveis
com a
capacidade de
suporte do
subleito
Inibir o
crescimento de
vegetação
(ruinoso para a
capacidade
drenante,
resiliência e
condições de
rolamento da
VPF)
Facilitar a
conservação,
remodelação
e renovação
da VPF
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O monitoramento se estende às camadas de
subleito, sublastro e lastro, além das deformações
experimentadas pelo trilho e pelo dormente.
A instrumentação que compõe o equipamento,
com a análise devida de dados obtidos permite o
entendimento de:
A maneira como o agregado através de sua angularidade e porosidade pode
interferir nos ensaios.
O desempenho estrutural e o potencial de contaminação e a verificação de
rigidez de uma camada de lastro.
A resistência dos materiais avaliados com a durabilidade de um pavimento
ferroviário.
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O comportamento mecânico do material do lastro amostrado em várias
faixas granulométricas enquanto submetido a carregamentos similares aos
aplicados em situação real, inter-relacionados com resultados oriundos de
outros ensaios.
Diferença entre o comportamento mecânico de um lastro constituído de
faixa granulométrica bem distribuída e outro com faixa contínua, e
alternando-se, também, os eixos de carregamento.
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Embasamento Técnico
Selig, E. e
Waters, J. (1994)
Ensaios de uma caixa
especial para
acondicionamento de
lastro, desenvolvida na
Universidade de
Massachusetts,
simulando as condições
de uma VPF e sob a
ação de carregamento
repetido.
Jeffs, T.
(1989)
Resultados
Significativos:
• Quebra de
grãos do
agregado;
• Mudança
na rigidez
do lastro;
• Tensões
residuais
no lastro.
Concluiu, através de
ensaios, que a
angularidade do agregado
do lastro é o parâmetro de
controle mais importante
para as deformações
plásticas, superando outros
aspectos como diâmetro
máximo, uniformidade
granulométrica e
durabilidade.
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Fernandes, G.
(2005)
Experimentações de grupos
de agregados com
granulometria mais fina, com
uso de carregamentos
cíclicos; indica, então, a
melhoria quase certa do
comportamento rígido da
VPF e da quebra de grãos do
lastro e da alteração das
tensões residuais.
Eisenman et al., (1975), in Salim, (2004),
modificado; Raymond, G. e Bathurst, R.
(1984); Indraratna, B. e Salim, W. (2002);
Salim, W. (2004); Lim, W. (2004);
Ionescu, D. (2004); Nurmikolu, A. (2005);
Indraratna, B. et al. (2006); Bhanitiz, A.
(2007); entre outros
Estudos conduzidos utilizando-se
recipientes de paredes rígidas, móveis ou
imóveis. A preocupação maior residiu em
determinações dos aspectos do
comportamento resiliente e
associações com a introdução de
geossintéticos.
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A pesquisa em questão intenta a utilização
de uma caixa de testes metálica, construída
e estruturada para utilização permanente,
no interior da qual está montada uma seção
ferroviária-teste constituída de dormente,
trilho, lastro (pedregulho, brita), sublastro
(solo arenoso) e subleito (argila compacta) e
aparato eletrônico competente e
conveniente (todos os sensores e dataloggers); ainda, faz uso de paredes laterais
móveis, auxiliadas por um sistema de
amortecedores, idealizando-se, desta forma,
uma modelagem física mais real do
problema; com um mecanismo servocontroler hidráulico reproduzindo
carregamento variável, em verdadeira
grandeza, a carga de cada contato
roda/trilho (100 a 200 kN), fonte dos
carregamentos cíclicos.
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Investigar variadas faixas
granulométricas de
agregados (lastro).
Alternativas para
carregamento dos
eixos, no contato rodatrilho.
Consolidação
metodológica de
experimentação
simulada, em escala de
tempo real.
OBJETIVOS DA
INVESTIGAÇÃO
Análise: Faixas de
britagem x adição
de cargas
diferentes;
variação de
materiais de
sublastro, trilho,
dormente, etc.
Comparação entre
estudo e
simulador,
utilizando os
registros históricos
em escala real.
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Defeitos da Geometria da VP
No caso das condições brasileiras, o lastro possui forte predomínio
na responsabilidade pelo nível de resiliência e pelo acúmulo de recalques
do pavimento da ferrovia. As principais razões para isto são as elevadas
tensões impostas ao lastro e o afofamento decorrente da socaria na
operação de manutenção da via. O “fino” gerado através desta degradação
de lastro substitui os espaços vazios da via, diminuindo a plasticidade da
camada de lastro. A consequência observada na composição é o ganho de
elasticidade do conjunto, em função do acréscimo de rigidez. A diversidade
granulométrica (surgimento de finos) será prevista através do equipamento
apresentado, fazendo com que a manutenção da camada de lastro seja
realizada antes que a VPF fique prejudicada. Várias pesquisas buscaram
determinar o módulo resiliente do lastro sob efeito dinâmico e poucas
trabalharam na modelagem da deformação plástica do lastro associada
com a carga cíclica.
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Desenvolvimento
Para viabilizar e atingir os objetivos projetou-se, dimensionou-se e
executou-se o EEDL(f) - Equipamento para Ensaio Dinâmico de Lastro
(ferroviário), com o propósito principal de analisar o comportamento
mecânico de faixas granulométricas de agregados, utilizadas em lastros
ferroviários submetidos a carregamentos cíclicos.
● Uma caixa metálica rígida, de 1000 x 1000 x 1000 mm, para a
preparação das camadas de subleito, sublastro e lastro;
● Sistema de reação para as cargas a serem aplicadas;
● Placa rígida para carregamento da superfície do pavimento, simulando o
carregamento advindo de uma composição ferroviária, com carga por eixo
variando entre 200 e 400 kN;
● Sistema servo-controller hidráulico para aplicação de carregamentos de
roda com intensidade e freqüência pré-estabelecidas;
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● Conjunto de instrumentos para monitoramento de forças,
deslocamentos, cargas e tensões relevantes para o estudo;
● Sistema de aquisição de dados e gerenciamento dos registros dos
dados, e administração de resultados dos diversos instrumentos.
A tensão vertical cíclica é aplicada pelo MSCH (o mecanismo
servo-controller hidráulico), de forma a ser retransmitida ao arranjo
trilho/dormente e, em certa profundidade, ao lastro. Células de pressão,
posicionadas na interface lastro-sublastro, e nas paredes laterais da caixa
de teste, na região ocupada pelo sublastro, permitem o monitoramento das
tensões transmitidas às camadas elásticas. Analogamente, placas de
recalque com suas bases posicionadas a essas mesmas profundidades
possibilitam medir deformações e recalques verticais tanto do lastro como
do dormente.
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I-Foto recente / EEDL (junho2012)
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II-Sensor (metal) e vista de cabos
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Montagens Específicas
Locais de posicionamento dos sensores
Strain Gauge /
aço - Os sensores
foram colados na
alma do trilho
(na direção
vertical e
horizontal),
medirão as
deformações
nessas duas
direções.
Strain Gauge /
solo
Os carretéis
foram colocados
no interior das
camadas de
sublastro e
subleito, para
medir a demanda
de compressão.
Célula de
Pressão Colocadas na
interface lastro /
sublastro, e nas
laterais da
camada de
sublastro,
mostrarão as
tensões
demandadas
pelas camadas
elásticas de solos
LVDT - Mede o
deslocamento
vertical do
dormente (ele
acompanha a
posição do
dormente
referenciado,
com uma posição
fixa), e a
acomodação
vertical da
camada de lastro.
Sensor de
Umidade e
Sensor de
Temperatura Colocados na
interface subleito
/ sublastro, para
medir teor de
umidade daquela
camada de solo e
variação de
temperatura.
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III-Preparação de sensor deformação (solo)
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IV-Célula de pressão, sensor de umidade, sensor de temperatura.
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Detalhamento das especificidades
Camadas
elásticas requisitos para o
sub-lastro:
função de reforço
do lastro, além
de ajudar a
impedir a
contaminação do
lastro por
material que
pode ascender
do subleito.
Materiais e
protoequipamentos especificou-se
que o ambiente /
recipiente (aquilo
que irá conter a
representação da
seção ferroviária
em verdadeira
grandeza).
Sistema eletrônico dedicado
– condicionamento de sinal
Um condicionador de sinais fornece
energia de excitação para o sensor
eletrônico, capta o sinal elétrico emitido
por ele e condiciona o nível da corrente
elétrica. Filtra os ruídos das estruturas
eletrônicas e ambientais carregados por
esse sinal elétrico, para que possa ser
interpretado sem interferências.
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Sensores eletrônicos
- Strain gauge para aço
- Strain gauge para solo
Mecanismo servo-controller hidráulico
- Células de pressão
- Sensor de umidade
- Sensor de temperatura
O êmbolo do MSCH, mecanismo que
efetivamente impõe o esforço de vinte
toneladas-força sobre o conjunto trilho /
LVDT
este transdutor indutivo medirá
deslocamentos lineares de ± 2,5mm
e tem repetibilidade de 2,5 µm.
dormente, é acionado por uma prensa
hidráulica, envolvendo uma bomba de
treze CV, com diversos pontos de
check-controll.
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O equipamento reproduzirá a força-peso
equivalente ao de uma roda da composição ferroviária
real, no contato roda-trilho, impondo ao lastro o
comportamento usualmente assumido na VPF. Cumprido
o número de ciclos planejado, sob uma frequência prédeterminada, o material de lastro será retirado do
equipamento e ensaiado em laboratório para se conhecer
as modificações de granulometria.
Umidade
LASTRO
MONITORIAMENTO
- ATRAVÉS DOS
SENSORES
ELETRÔNICOS
Temperatura
Rigidez
Resistência mecânica
SUBLASTRO, SUBLEITO,
TRILHO E DORMENTE
Perda de flexibilidade
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O estudo de uma VPF em simuladores, que em
alguns casos se pode denominar, também, de "escala
reduzida", propicia o balizamento de algumas variáveis
que, em escala real, são muito difíceis de controlar ou
logística e economicamente, quase impossível:
 Locação quase perfeita da seção carregada;
 Controle e incremento de tensões em níveis
desejados e controlados;
 Estabelecimento de correlações matemáticas
diversas (deformação x “N”, tensão x
deformação, tensão x deslocamento etc.).
Além do que, ainda torna-se possível, com relativa facilidade, a
substituição parcial ou total dos materiais ensaiados (notadamente, os
que afetam diretamente a estrutura da camada de lastro), e a inclusão de
faixas granulométricas distintas a medida que se altere o eixo padrão de
carregamento.
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Conclusões/Projeções
Atenção destacada para:
 As diferenças entre o comportamento mecânico de
um lastro constituído de faixa mais fina versus faixa
mais grossa, alternando-se também os níveis de
carregamento;
 O efeito da angularidade (ou arredondamento) e da
porosidade da brita, principal-mente, sobre o
desempenho estrutural da camada de lastro;
 Verificação acerca das quebras dos grãos do
agregado;
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 Verificação acerca da mudança de rigidez do lastro,
notadamente,
função
dos
abatimentos
(compactação) aumentando a perda da capacidade
plástica da camada de lastro;
 Conhecer acerca do potencial de contaminação do
lastro, oriundo da quebra dos grãos do agregado;
 Assimilação dos parâmetros de resistência desses
materiais estudados e sua influência sobre a
durabilidade e resistência do pavimento da VPF
como um todo;
 Verificação das alterações dos níveis de tensão
versus variação da profundidade na plataforma
(bulbo de tensões nas diversas camadas elásticas);
 Caracterização ambiental do agregado após a
degradação sofrida em função do número N
(número de contato roda-trilho padrão de tráfego).
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DEFEITOS DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE
Referências Bibliográficas
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ABNT / Associação Brasileira de Normas Técnicas - NBR 5564 / 2011.
Bhanitiz, A (2007). A Laboratory Study of Railway Ballast Behaviour under
Traffic Loading and Tamping Maintenance. Doctor Thesis, University of
Nottingham. United Kingdom.
Eisenmann, J. (1975). Railroad Track Structure for High-Speed Lines. In:
Proceedings of Symposium of Railroad Track Mechanics and Technology,
Princeton University, New Jersey, Pergamon Press.
Fernandes, G. (2005). Comportamento de Estruturas de Pavimentos
Ferroviários com Utilização de Solos Finos e/ou Resíduos de Mineração de
Ferro Associados a Geossintéticos. Tese de Doutorado. UnB, 2005.
Indraratna, B. et al. (2006). Geotechnical properties of ballast and the role
of geosynthetics in rail track stabilisation. University of Wollongong,
Austrália.
Indraratna, B. e Salim, W. (2002). Modeling of particle breakage of coarse
aggregates incorporating strength and dilatancy. Proceedings of the
Institution of Civil Engineers -Geotechnical Engineering, 155, No. 4, 243–
252.
Ionescu, D. (2004). Evaluation of the engineering behaviour of railway
ballast. University of Wollongong, Austrália.
SIMULAÇÃO DINÂMICA (LABORATÓRIO):
DEFEITOS DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE
•
•
•
•
•
•
•
Jeffs, T. (1989). Towards ballast life cycle costing. Proc. 4th International
Heavy Haul Railway Conference, Brisbane, pp.439-445.
Lim, W. (2004). Mechanics of Railway Ballast Behaviour. Doctor Thesis,
University of Nottingham. United Kingdom.
Muniz da Silva, L. (2002). Fundamentos teórico-experimentais da
Mecânica dos Pavimentos Ferroviários e esboço de um sistema de
gerência aplicado à manutenção da via permanente. Tese de Doutorado.
UFRJ, 2002.
Nurmikolu, A. (2005). Degradation and Frost Susceptibility of Crushed
Rock Aggregates Used in Structural Layers of Railway Track. Doctor Thesis
of Technology. Tampere University of Technology, Finlândia.
Raymond, G. e Bathurst, R. (1984). Research on Railroad Ballast
Specification and Evaluation. In: Transportation Research Record 1006,
Transportation Research Board, Washington, DC, pp. 1-8.
Salim, W. (2004). Deformation and degradation aspects of ballast and the
role of geosynthetics in track stabilisation. Phd Thesis. Universidade de
Wollongong. Austrália.
Selig, E. e Walters, J. (1994). Track Geotechnology and Substructure
Management. Thomas Telford Services Ltd. London, United Kingdom.
Obrigado!