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 Haul 1
José Carlos Silva Filho 2
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 BoscoUNDB.
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
Km
858+780
858+700
Módulo de Resiliência
(Mpa)
23,57
64,93
CBR (%)
2,3
6,3
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.
Antena do
GPS.
Painéis
solares
Gabinetes
eletrônicos
Baterias
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.
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
manutenção
–
e
Risco
intermediário
monitoramento
requer
usando
os
inspeção/visita
dados
do
da
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.
Restrição
Acceleration
51,00
46,00
41,00
36,00
31,00
26,00
21,00
16,00
11,00
6,00
1,00
Acceleration
Severidade 1
Severidade 2
Severidade 3
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.
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
Camada
Ponto 6
Equação
Camada 01 Log(CBR) = 2,49 - 1,057.Log(DN)
CBR = 442,45.(DN) elev(-1,30)
Média
40
Ponto 1
7,58
36,3
6,07
45,9
4,91
57,5
4,91
57,5
7,58
31,8
34,1
6,07
42,4
44,2
4,91
55,9
56,7
4,91
55,9
56,7
Ponto 6
Equação
Ponto 5
Ponto 4
Ponto 1
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)
CBR = 442,45.(DN) elev(-1,30)
50
Ponto 4
Ponto 5
DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%) DN (mm/Golpe) CBR (%)
13,73
19,4
17,59
14,9
11,63
23,1
11,63
23,1
13,73
14,7
17,59
10,6
11,63
18,2
11,63
18,2
17,0
Média
12,8
20,7
20,7
Tabela 4 – Valores de CBR obtidos através de correlação do ensaio de DCP
Camada
Camada 01
12
Camada 02
30
Ponto 2 (Fratura)
DN (mm/Golpe) CBR (%)
19,57
13,3
19,57
9,3
11,3
Camada
Camada 01
40
Ponto 3
DN (mm/Golpe) CBR (%)
5,1
55,2
5,1
53,2
54,2
Ponto 2 (POD)
Ponto 3
DN (mm/Golpe) CBR (%)
DN (mm/Golpe) CBR (%)
15,67
16,9
15,67
12,4
14,6
Camada 02
10
22
68,86
3,5
68,86
1,8
2,7
20
21,1
12,7
16,3
18,7
Camada 02
25
DN (mm/Golpe) CBR (%)
Camada 02
55
DN (mm/Golpe)
CBR (%)
8,75
31,2
8,75
26,4
28,8
DN (mm/Golpe)
CBR (%)
3,99
71,6
3,99
73,2
72,4
Ponto 7
Ponto 3
DN (mm/Golpe) CBR (%)
Camada 02
Camada 01
Ponto 7 ( lado oposto à fratura )
Ponto 7
12,7
Ponto 2 (POD)
Camada
35,28
7,1
35,28
4,3
5,7
Camada 02
55
DN (mm/Golpe)
CBR (%)
16,75
15,7
16,75
11,3
13,5
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.
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
UMIDADE "IN SITU"
UMIDADE ÓTIMA (lab.)
Tensão Desvio
(MPa)
Módulo Resiliente
(MPa)
Módulo Resiliente
(MPa)
0,021
39
416
0,041
68
380
3
0,062
89
351
1
0,034
58
659
0,069
96
387
3
0,103
114
352
1
0,051
73
628
0,103
118
371
3
0,154
137
337
1
0,069
91
497
0,137
130
377
3
0,206
150
345
1
0,103
109
494
0,206
151
398
3
0,309
167
375
1
0,137
510
0,275
418
0,412
373
ciclo
Tensão Confinante
(MPa)
1
2
2
2
2
2
2
3
0,021
0,034
0,051
0,069
0,103
0,137
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:
σ adm =
0,006.Mr
1 + 0,7. log N
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.
σ adm ( h"insitu ") =
σ adm ( hótima ) =
0,006.1090
→ 0,94kgf / cm 2
8
1 + 0,7. log 2,64 x10
0,006.3840
→ 3,33kgf / cm 2
8
1 + 0,7. log 2,64 x10
2.1. Cálculo da Carga Dinâmica Considerando 32,5 t/eixo (ferrovia de
carga pesada)
Pd = C d .P
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:
C d = 1+
5,2.V
Dw
Onde:
V = velocidade (km/h) – 80km/h
Dw = diâmetro da roda (mm) – 914,40 mm
Então:
 5,2.80 
Pd = 1 +
 → 236,42kN
914,4 

2.2. Pressão no Lastro
Segundo STOPATTO (1987), o valor da reação pode também ser obtido
através da equação de Driecsen em que:
R=
P
xC d
N
Onde:
Cd= coeficiente dinâmico;
P = carga aplicada sobre um dormente
N=
D
d
Onde:
D= distância entre eixos de um truque – 183 cm
d = espaçamento entre dormentes – 61 cm
Sendo assim:
N=
183
→ 3,0
61
R=
16250
x1,45 → 7854,17kgf
3,0
Para o cálculo da área de contato dormente/lastro utilizaremos a fórmula de
SCHRAMM (1961).
As = ( L − s ).b
Onde:
s = distância de eixo a eixo entre trilhos (bitola larga) – 160cm
b = largura do dormente – 24cm
As = (260 − 160).24 → 2400cm 2
Finalmente, a pressão do lastro pode ser calculada conforme abaixo.
Pm =
R
7854,17
→
→ 3,27 kgf / cm 2
Ab
2400
2.3. Tensão no Sublastro
Para o cálculo da tensão do lastro no sublastro utilizaremos a fórmula de
Talbot adotada pela AREMA.
σc =
53,87.σ m
h1, 25
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
σc =
53,87.3,27
→ 2,51kgf / cm 2
1, 25
30
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.
2,51kgf / cm 2 > 0,94kgf / cm 2 (nok )
Porém quando avaliamos o material na umidade ótima, o comportamento
mecânico atende perfeitamente as solicitações.
2,51kgf / cm 2 < 3,33kgf / cm 2 (ok )
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.