Ferrovias - Janaina Lima de Araújo - Aula 04 - Superestrutura Ferroviária

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30/11/2014

ENGENHARIA CIVIL Ferrovias

Ferrovias AULA 04

SUPERESTRUTURA SUPERESTRUTURA FERROVIÁRIA FERROVIÁRIA Elementos da via permanente Lastro, Lastro, dormentes e trilhos. Elementos de ligação e ffixação ixação

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SUPERESTRUTURA SUPERESTRUTU RA DE VIA PERMANENTE

É o segmento da via permanente que recebe os impactos diretos da carga. Principais componentes são: •

• • • •

Trilhos Acessórios de fixação Aparelhos de mudança de vias Dormentes Lastro e Sublastro

Os quais estão sujeitos às ações de degradação provocadas pela circulação dos veículos e de ataques do meio ambiente. 2

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INFRAESTRUTURA INFRAESTRUTU RA DE VIA PERMANENTE

Plataforma (Infraestrutura) SUBLEITO Deve receber compactação, com o objetivo de aumentar sua resistência. Cuidados devem ser tomados quanto à drenagem, como o uso de trincheiras e drenos para rebaixar o nível d’água quando necessário em cortes no terreno.

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Plataforma (Infraestrutura) SUBLEITO EM CORTE

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Plataforma (Infraestrutura) SUBLEITO Deve receber compactação, com o objetivo de aumentar sua resistência. Cuidados devem ser tomados quanto à drenagem, como o uso de trincheiras e drenos para rebaixar o nível d’água quando necessário em cortes no terreno.

3



Plataforma (Infraestrutura) SUBLEITO EM CORTE

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Plataforma (Infraestrutura) SUBLEITO EM ATERRO

Zonas com maiores exigências de compactação em razão de 5 concentração concentração de tensões.



Plataforma (Infraestrutura) BOMBEAMENTO DE FINOS DO SUBLEITO O bombeamento de finos é um processo autoalimentado que consiste no enrijecimento do lastro e posterior ruptura devido à secagem de lama proveniente do subleito bombeada pelo tráfego. Ocorre na presença de: Solo fino Água e Super solicitação. • •

•

Soluções: filtro, geotêxtil protegido, seleção do subleito, solo-cimento (solo-cal, 6 ligantes betuminosos)

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Ferrovias AULA 04.1

SUBLASTRO

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SUPERESTRUTURA SUPERESTRUTU RA DE VIA PERMANENTE SUBLASTRO (Especificação (Especificação de Serviço nº 80-ES-028A-20-8010 VALEC)

Trata-se camada de material que completa a plataforma ferroviária e que recebe o lastro, tendo a função de absorver os esforços transmitidos pelo lastro e transferi-los para o terreno subjacente na taxa adequada à capacidade de suporte do referido terreno. SUBLASTRO

Plataforma - Infraestrutura

É a camada superior da infraestrutura, infraestrutura, e tem características especiais levadas em conta na construção da superestrutura. 8

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE SUBLASTRO (Especificação de Serviço nº 80-ES-028A-20-8010 VALEC)

Tem a seguintes funções: •

•

•

•

Aumentar a capacidade de suporte da plataforma, permitindo elevar a taxa de trabalho no terreno ao serem transmitidas as cargas através do lastro (reduzindo sua superfície de apoio e sua altura, o que traz economia de material) Evitar a penetração do lastro na plataforma (infraestrutura) Aumentar a resistência do leito à erosão e a penetração da água, concorrendo para uma melhor drenagem da via. Permitir relativa elasticidades ao apoio do lastro para que a via não seja excessivamente rígida.

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE

Plataforma (Infraestrutura) SUBLASTRO • •

Camada granular abaixo do lastro Função: filtro  

• •

•

•

Granulometria: Terzaghi Altura: Araken Silveira - Tamanho das partículas do solo x tamanho dos poros do filtro: Modelo probabilístico

Espessura do sublastro - ~ 20 cm é suficiente Evitar o fenômeno do bombeamento de finos do subleito Economia – reduzir o custo do lastro (redução da espessura do lastro) Compactado 100% Ótima Proctor intermediário 10

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Material a ser selecionado para compor o Sublastro - poderão ser obtidos in natura (como laterita, cascalhos, solos arenosos, etc...) ou pela mistura em usina ou na pista, de dois ou mais materiais (como, por exemplo, solo-brita), de modo que o produto resultante tenha sempre as características a seguir relacionadas : •

•

•

Índice de Grupo igual a zero (IG=0) A fração que passa na peneira nº 40 deve apresentar Limite de liquidez máximo de 25 (LL ≤ 25%) e Índice de plasticidade máxima de 6 (IP ≤ 6%) Expansão máxima de 1%

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•

•

•

A porcentagem do material que passa na peneira nº 200 (0,074 mm), não poderá superar 2/3 do que passa na peneira nº 40 (0,42 mm); No caso de solos lateríticos a expansão máxima admitida será de 0,5% no ensaio de ISC; a fração que passa na peneira nº 40 deverá ter limite de liquidez inferior ou igual a 40% e índice de plasticidade inferior ou igual a 15%. Índice de suporte Califórnia (ISC ou CBR) mínimo de 20 (ISC ≥ 20%) – Proctor Intermediário – 26 golpes) 12

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Ferrovias AULA 04.2

LASTRO

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE LASTRO (Especificação de material nº 80-EM-033A-58-8006 - PEDRA B RITADA PARA LASTRO - VALEC)

Elemento da superestrutura - situado entre os dormentes e o sublastro. Dormente

Lastro

SUB-LASTRO

Plataforma - Infraestrutura 14

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Suas principais funções são: • •

•

•

Distribuir esforços do dormente; Drenagem

Resistir a esforço transversal (empuxo passivo atuando no dormente); Permitir reconstituição do nivelamento (através de equipamentos de manutenção); 15


SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE LASTRO (Especificação de material nº 80-EM-033A-58-8006 - PEDRA BRITADA PARA LASTRO - VALEC)

Características do material a ser selecionado para compor o Lastro: •

Suficiente resistência aos esforços transmitidos

•

Elasticidades limitada para abrandar os choques

•

Dimensões que permitam sua interposição entre os dormentes e o sublastro

•

Resistência aos agentes atmosféricos

•

Ser material não absorvente, não poroso e de grãos impermeáveis

•

Não deve produzir pó. 16

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Especificação de Projeto de superestrutura - 80-EG-000A-18-0000

LASTRO

•

•

PEDRA BRITADA

Rochas mais apropriadas: Granitos, Gnaisse, Quartzito, micaxisto, Deorito e Diabásio. Rochas menos apropriadas: Arenito, Calcário, Mármore e Dolamita (devem ser analisadas pois nem sempre atendem às especificações técnicas). Optar pelas rochas de alta resistência (mais duras)!

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Propriedades Físicas O material para lastro deve apresentar as seguintes características: •

Massa específica aparente mínima.--------------- 2,4t/m³

•

Absorção máxima de água -------------------------- 1,0%

•

Porosidade máxima aparente ----------------------- 1,0%

•

Pureza/sulfato de sódio (ASTM C 88) ------------- 5,0%

•

Partículas planas e/ou alongadas ------------------10,0% 18

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Propriedades Mecânicas O material deve apresentar as seguintes propriedades mecânicas: •

•

•

Índice máximo de desgaste por abrasão obtido no teste Los Angeles, de 40%; Resistência ao choque - Índice de tenacidade Treton máximo, segundo NBR 8938, de 20%; Resistência mínima à compressão simples axial de 100 MPa.

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Granulometria – UNIFORME (Drenagem) A granulometria é limitada pelas dimensões entre 12,7 mm (1/2”) e 63,5 mm (2”1/2), admitindo-se uma tolerância máxima de 5% na menor dimensão, condicionada aos percentuais do quadro. 20

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Substâncias Nocivas A quantidade de substâncias nocivas e impuras presentes no lastro é tolerada até os seguintes valores: •

Materiais pulverulentos, segundo NBR NM 46---------- 1,0%

•

Torrões de argila, segundo NBR 7218--------------------- 0,5%

•

Fragmentos macios e friáveis, segundo NBR 8697------ 5,0%

•

Partículas lamelares -------------------------------------------- 10,0 % 21



RESUMO: A fim de garantir a drenagem, o lastro deve apresentar granulometria uniforme; •

•

•

A forma cúbicas das partículas evita os recalques que ocorreriam com a passagem do tráfego As faces fraturadas proporcionam embricamento entre as partículas (maior ângulo de atrito, maior resistência)

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE LASTRO DIMENSIONAMENTO - ALTURA DO LASTRO SOB O DORMENTE

O cálculo da altura do lastro sob os dormentes requer a aplicação de dois conceitos fundamentais: 1. Como se distribuem no lastro as pressões transmitidas pelos dormentes. 2. Qual a pressão admissível ou taxa de trabalho do solo (sublastro).

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE 1.

Como se distribuem no lastro as pressões transmitidas pelos dormentes.

As percentagens se referem à pressão média na face inferior do dormente em contato com o lastro.

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Chamando-se de p0 a pressão média na face inferior dos dormentes, as curvas dão os valores de:

Na curva de Talbot verifica-se que as pressões não se distribuem uniformemente, pois as pressões no centro do dormente são superiores às pressões nas extremidades. 25



Segundo os trabalhos de Talbot, divulgados pela AREA ( American Railway Enginering Association), a curva da variação das pressões máximas no lastro (abaixo do centro dos dormentes), em função da altura do lastro, é dada pela seguinte equação:

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variação das pressões máximas no lastro

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Faixa de socaria

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Coeficiente dinâmico ou de impacto

Cd = 1,4

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120%

%P0

200

h (mm)

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE LASTRO EXEMPLO – DIMENSIONAR A ALTURA DO LASTRO SOB O DORMENTE

DADOS: •

• • •

• • •

Peso por eixo: 20 toneladas Dimensões do dormente: 2,00 x 0,20 x 0,16 Coeficiente de impacto: 1,4 (coeficiente dinâmico) Faixa de socaria: 70 cm (c) Distância entre eixos da locomotiva: 2,20 m (d) Número de dormentes por km: 1750 CBR do sublastro: 20% 37



d = Distância entre eixos da locomotiva

Coeficiente dinâmico ou de impacto Cd=1,4 38

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Fator de segurança: 5 a 6 N = 5,5

Temos que:

ou

40

20

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E graficamente???

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No diagrama de pressões de Talbot, para k = 98% tira-se h = 25 cm.

250

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Admitindo-se a mesma lei de distribuição de pressões através do sublastro (o que é suficiente para fins práticos) e uma altura de 20 cm para este, verifiquemos qual a pressão na base do sublastro (leito).

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Ferrovias AULA 04.3

DORMENTES

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES (Especificação de material Dormente de madeira para AMV - nº 80-EM-031A-58-8013 – e Dormente monobloco de concreto protendido – nº 80-EM-031A-58-8014 - VALEC)

Têm a finalidade de, além de fixar os trilhos na medida da bitola ou das bitolas, o caso de via em bitola mista, como definido em projeto, transmitir os esforços exercidos sobre os trilhos para o lastro e, daí, para a plataforma do leito estradal. Dormente Suporte dos trilhos

Lastro

SUB-LASTRO

Plataforma - Infraestrutura 45



Para que o dormente cumpra a sua finalidade, será necessário: •

Suas dimensões (comprimento e largura) forneçam superfície de apoio suficiente para que a taxa de trabalho no lastro não ultrapasse os limites relativos a esse material.

•

Sua espessura lhe dê rigidez necessária (permitindo alguma elasticidade)

•

Tenha suficiente resistência aos esforços solicitantes

•

Tenha Durabilidade 46

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Para que o dormente cumpra a sua finalidade, será necessário: •

•

•

Permita (com relativa facilidade) o nivelamento do lastro (socaria) em sua base Oponha-se de modo eficaz aos deslocamentos longitudinais e transversais da via Permita boa fixação do trilho – uma fixação firme, sem ser excessivamente rígida. 47


SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES DE MADEIRA (Especificação de material Dormente de madeira para AMV - nº 80-EM-031A-58-8013 - VALEC)

PRINCIPAIS NORMAS REFERENTES AO EMPREGO DE DORMENTES DE MADEIRA

• •

• • •

•

TB 138/NBR 6966 – Dormentes (ABNT, 1994b) IVR 11 – Nomenclatura de via permanente (Rede Ferroviária Federal – SARFFSA, 1978) IVR 12 – Emprego de dormentes roliços (RFFSA, 1978) EVR 8 – Substituição de dormentes (RFFSA, 1978) NV3 250 – Especificações técnicas para fornecimento de dormente de madeira (RFFSA, 1978) NB 11/NBR 7190 – Projeto de estruturas de madeira (ABNT, 1997) 48

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Dimensões (Comprimento x largura x altura)

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Entalhe do dormente

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES DE MADEIRA (Especificação de material Dormente de madeira para AMV - nº 80-EM-031A-58-8013 - VALEC) •

•

A resistência das madeiras cresce com a densidade. Utiliza-se comumente madeira de lei (aroeira, sucupira, ipê, angico, etc.) e madeira mole (angelim, pau brasil, pinho, eucalipto, etc.), tendo as primeiras maior durabilidade e resistência.

A durabilidade é função da:

Madeira de lei – Primeira classe Madeira mole – Segunda Classe Madeiras com defeitos toleráveis – 3ª e 4ª Classe

Qualidade da madeira, clima, drenagem, tráfego, época do ano em que a madeira foi cortada (no inverno há menos seiva), grau de secagem, tipo de fixação, lastro, existência de placa de apoio, etc. 51



DURABILIDADE

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DURABILIDADE Dormente de madeira de lei: tem cerne, portanto, mais durabilidade e não precisa de tratamento químico. Dormente de madeira branca: tem alburno, portanto fácil apodrecimento e requerem tratamento químico para aumentar a vida útil.

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APODRECIMENTO DA MADEIRA

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APODRECIMENTO DA MADEIRA

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O tratamento das madeiras resolve o apodrecimento, mas não atua na resistência. A escolha do material preservativo deve ser com a resistência da essência: o

o

Produtos oleosos: creosoto (óleo obtido da destilação do alcatrão de hulha) e pentaclorofenol; Sais hidrossolúveis

O custo do tratamento varia de 60 a 100% do custo inicial do dormente.

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TRATAMENTO DOS DORMENTES DE MADEIRA

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Métodos de tratamento: impregnação em autoclave.

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DURABILIDADE Fatores que devem ser considerados (vida útil): •

Resistência ao apodrecimento;

•

Resistência ao desgaste mecânico

BRASIL: Melhor essência de madeira é a SUCUPIRA Boa fixação, possui dureza e peso específico elevados e grande resistência ao apodrecimento (duração média - 30 anos na linha) 59



DURABILIDADE No Brasil: o o o

Madeira de lei: 15 a 20 anos, dependendo do preservativo Madeiras comuns (cerne + alburno): 5 a 6 anos, se tratado; Não tratados: 2 a 10 anos

No mundo: o o o

Tratados com pentaclorofenol: 25 a 30 anos Tratados com sais: 15 a 20 anos Não tratados: 3 a18 anos

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FENDILHAMENTO Para evitar o fendilhamento da madeira, faz-se o uso de cintas galvanizadas ou S metálicos.

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES DE MADEIRA

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES DE AÇO Apresentam maior rigidez e fixação do trilho mais difícil (parafusos e castanhas) e tendem ao afrouxamento. • •

Constante manutenção Dificulta a socaria do lastro (forma do dormente em U)

Parafusos e castanhas 63


SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES DE AÇO

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES DE CONCRETO Este tipo de dormente começou a ser utilizado após a Segunda Guerra Mundial. Era de concreto armado, monobloco, não protendido. •

Começou a aparecer fissuras próximas à seção central, causadas pela tração que aparece nesta região.

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES DE CONCRETO Atualmente temos em uso os seguintes tipos: 1. Dormente de dois blocos (70 x 29 x 23 cm), com haste metálica interligando-os. Podem ser armados (França) ou protendidos (Suécia);

A vida útil dos dormentes de concreto é cerca de 40 anos, se não houver descarrilamentos.

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES DE CONCRETO Atualmente temos em uso os seguintes tipos: 2. Protendidos monobloco (NBR 11709, ABNT, 2010c) •

Postencionados: protenção após a cura do concreto – sem aderência das barras (armadura de proteção) com o concreto. 

•

A força de protensão é transferida ao elemento estrutural ancorando-se os cabos de protensão pré-alongados contra as extremidades do próprio elemento estrutural.

Pretencionados: formas contínuas, formas individuais – com aderência das barras com o concreto. 

O pré-alongamento da armadura ativa é realizado antes do lançamento do concreto. 67


SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES DE CONCRETO Atualmente temos em uso os seguintes tipos: 2. Protendidos monobloco Os dormentes monoblocos protendidos possuem diversas vantagens sobre o tipo misto, como por exemplo: • •

• • •

Maior área de apoio sobre o lastro; Maior peso: mais estabilidade (entretanto, maior dificuldade de manuseio); Resistente à flexão no centro; As fissuras sob efeito de carga acidental se fecham; Absorve e transmite bem esforços horizontais e verticais, mesmo em caso de desnivelamento transversal. 68

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES DE CONCRETO

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES Na escolha entre o tipos de dormente, deve-se ponderar: •

Desenvolvimento da indústria do aço e da madeira;

•

Política de importação;

•

Custo: juros, renovação, manutenção, venda do material inservível;

•

Tipo de dormente que a via já utiliza. RESUMO

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE DORMENTES

PESQUISAR SOBRE DIMENSIONAMENTO DE DORMENTES! ENTREGAR PRÓXIMA AULA BREVE RESUMO

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Ferrovias AULA 04.4

TRILHOS

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE TRILHOS

São elementos da via permanente que guiam o veículo no trajeto e dão sustentação ao mesmo. Funcionam como viga contínua e transferem as solicitações das rodas para os dormentes. Os trilhos são designados pelo peso que apresentam por metro linear. Exemplos: TR – 37, 45, 50, 57 e 68. Nº significa - Peso teórico (kg/m) 73


SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE Trilho bitola 15,88 mm

Dormente Lastro

SUB-LASTRO

Plataforma - Infraestrutura

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BITOLA FERROVIÁRIA

É o comprimento retilíneo ortogonal aos trilhos, paralelo ao plano de rolamento da via, cuja afastamento desse segmento em relação ao plano é de 15,88 mm.

bitola 15,88 mm

Trilho Dormente

No Brasil, pelo Plano Nacional de Viação, a bitola padrão é a larga (1,60m), porém a que predomina é a métrica (1,00m). 75


SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE TRILHOS A geometria do perfil Vignole favorece a resistência à flexão.

DB

Sabe-se que: um maior momento de inércia indica que a geometria da seção concentra a maior parte da massa do trilho nos pontos onde as tensões normais são maiores, otimizando o uso do material. 76

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE TRILHOS Funções • •

Sustentação e condução Viga contínua

Designação •

Peso por metro linear (TR-37, 45, 50, 57, 68)

Requisitos • • •

Boleto (desgaste) Alma (viga) Patim (estabilidade)

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE TRILHOS Requisitos do Perfil Vignole •

•

•

O boleto deve ser “massudo”, para que o desgaste não afete o momento de inércia da seção A alma deve possui altura suficiente para resistir à flexão.  Quanto maior a alma, maior a distância do boleto e do patim com relação à linha neutra da seção  maior momento de inércia  Deve-se conservar uma espessura mínima na alma capaz de garantir adequada resistência e rigidez. O patim não deve ser fino. Se não possuir espessura adequada pode acumular deformações permanentes ao longo da vida útil e provocar acidentes. 78

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE TRILHOS AÇO Aço Comum (ferro + carbono) Tratado termicamente Liga (nióbio, molibdênio, etc.) • • •

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Ferrovias AULA 04.5

TALAS DE JUNÇÃO

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE TALAS DE JUNÇÃO São elementos que atuam na emenda mecânica dos trilhos. A junta é feita por duas talas de junção justapostas, montadas na alma do trilho e apertadas com quatro ou seis parafusos de alta resistência com um torque pré-estabelecido. Estas peças introduzem grandes esforços adicionais (vibrações, solicitações dinâmicas) e defeitos nas extremidades dos trilhos. Os furos são ovais para permitir dilatação das extremidades.

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE TALAS DE JUNÇÃO Manter a continuidade dos trilhos - já que os mesmos são fabricados nas dimensões de 12 m, 18 m ou 24 m. OBJETIVO: •

Oferecer maior inércia, fazendo com que os trilhos se deformem com mais dificuldade.

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE TALAS DE JUNÇÃO Com relação aos dormentes, podem ser apoiadas ou em balanço (suspensa).

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE Os trilhos também podem ser unidos por meio de solda. Soldagem – No estaleiro •

Caldeamento  Melhor qualidade  Dificuldade de levar para o local

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE Os trilhos também podem ser unidos por meio de solda. Soldagem – No local •

Solda aluminotérmica   

Facilidade de transporte Maior custo Pior qualidade

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Caldeamento 

Inovação Tecnológica

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Caldeamento

Inovação Tecnológica

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Ferrovias AULA 04.6

ACESSÓRIOS DE FIXAÇÃO

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE ACESSÓRIOS DE FIXAÇÃO São elementos que têm como função de: •

•

Manter o trilho na posição correta e Garantir a bitola da via Resistência ao deslocamento longitudinal e lateral do trilho (frenagem, dilatação).

As cargas horizontais e verticais devem ser transferidas para os dormentes sem prejudicar o sistema de fixação. As fixações devem permitir a substituição dos trilhos sem afrouxar seus embutimentos no dormente de madeira. 89


SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE ACESSÓRIOS DE FIXAÇÃO Rígidas - São pregos e parafusos (Tirefond). Soltam com o tempo (vibração), perdendo a capacidade de resistir a esforços longitudinais

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE ACESSÓRIOS DE FIXAÇÃO Elásticas Mantêm pressão constante sobre o trilho, não afrouxando-se com o tráfego. Existem diversos modelos, como a Pandrol, McKay e Vossloh.

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SUPERESTRUTURA DE VIA PERMANENTE ACESSÓRIOS DE FIXAÇÃO Elásticas

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Ferrovias - Janaina Lima de Araújo - Aula 04 - Superestrutura Ferroviária

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