IME - Superestrutura Ferroviária (completo) revisão 2011-1

Superestrutura Ferroviária (1) Destinação das Ferrovias

Compreende a natureza do transporte, a estimativa das quantidades a transportar e as velocidades pretendidas. Quanto à natureza dos transportes, os trens se classificam em:  Trens de carga;  Trens de passageiros (de interior ou de longa distância); e  Trens urbanos. Quanto às velocidades pretendidas, os trens se classificam em:  Trens rápidos – trens mais leves, onde a velocidade é a condicionante operacional mais relevante; e  Trens pesados – trens onde a capacidade de carga é mais importante. Por sua vez, as quantidades a transportar determinam:  a intensidade da circulação e  o tamanho (comprimento) dos trens. Tais aspectos influem na concepção das vias (singela ou dupla), na quantidade e espaçamento de desvios, no dimensionamento dos pátios e estações e na quantidade de energia a ser consumida. Superestrutura Ferroviária

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Superestrutura Ferroviária (2) Condicionantes da via

Para atender à destinação da ferrovia, é preciso que sua via atenda a três condicionantes fundamentais:  Resistência;  Elasticidade; e  Continuidade geométrica. Resistência da via A resistência da via deve ser compatível com as solicitações impostas (estáticas, dinâmicas e de fadiga). Ela depende das condições do solo de fundação, dos materiais das obras de terra e das obras de arte, e dos elementos constituintes da superestrutura ferroviária. Elasticidade da via A via não deve ser indeformável, pois as cargas que lhe são transmitidas provocariam grandes esforços de inércia, se não fossem parcialmente absorvidas pelas propriedades elásticas dos elementos e materiais da superestrutura ferroviária. Continuidade geométrica A continuidade geométrica é garantida por meio de elementos de transição, em planta e perfil, de modo que nenhuma mudança brusca aconteça entre trechos contíguos da via, considerados os aspectos estáticos e dinâmicos.

Superestrutura Ferroviária

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Superestrutura Ferroviária (3) Conceitos e definições básicos

Superestrutura ferroviária é a parte superior da via ferroviária, que suporta diretamente os esforços causados pela passagem dos veículos ferroviários e os transmite transmite à infra-estrutura

A superesatrutura ferroviária se constitui dos trilhos, dos dormentes e seus acessórios, do lastro e do sub-lastro. sub -lastro. Os trilhos são perfilados metálicos de seção transversal semelhante ao duplo T, com características de viga, que servem de apoio, de superfície de rolamento e de guia para os veículos ferroviários. Os dormentes têm por função receber, absorver e transmitir ao lastro os esforços recebidos dos trilhos, servindo-lhes de suporte, permitindo sua fixação e mantendo a sua posição relativa (bitola da via). O lastro distribui uniformemente à plataforma ou ao sub-lastro os esforços recebidos dos dormentes, impedindo-lhes o deslocamento, confere elasticidade à via e lhe garante drenagem e aeração. O sub-lastro é uma camada de material granular colocada sobre a plataforma acabada de terraplenagem, com a finalidade de, além de absorver e transmitir os esforçosprovenientes do lastro, evitar a sua contaminação pelo material fino das camadas inferiores. Superestrutura Ferroviária

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Superestrutura Ferroviária (4) Conceitos e definições básicos (continuação) Bitola da via

A bitola é a distância medida das faces internas da parte superior dos trilhos (boletos). Ela caracteriza a posição relativa entre os trilhos e sua manutenção garante a condição fundamental do rolamento das rodas. Bitola b

No Brasil, empregam-se a bitola métrica (b = 1,00 m) e a bitola larga (b= 1,60 m) A infra-estrutura das ferrovias será sempre projetada e construída para bitola larga, a não ser nos casos de:  Vias industriais e particulares;  Variantes de estradas existentes em que não haja previsão de alargamento de bitola; e  Em condições excepcionais, definidas pelo Governo Federal. A superestrutura também será projetada e construída para bitola larga exceto quando:  A via integra malha de outra bitola e que não seja ainda conveniente o alargamento; e  A infra-estrutura tiver sido construída para outra bitola. Superestrutura Ferroviária

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Superestrutura Ferroviária (5) Veículos Ferroviários

Veículos tratores: Locomotivas e automotrizes

Veículos rebocados: Carros e vagões

Trens-unidade


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Superestrutura Ferroviária (6) Veículos Ferroviários (continuação) Elementos de contacto com a via

Truque ferroviário:

Base rígida Rodas

Eixo Rodeiro

As cargas transmitidas pelas rodas aos trilhos são referidas como cargas por eixo.  

Tara: peso próprio do veículo Lotação: peso da carga


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Superestrutura Ferroviária (7) Elementos da superestrutura ferroviária Trilhos

Para atenderem à sua função estrutural, os trilhos devem possuir as seguintes propriedades:  Dureza;  Tenacidade;  Elasticidade; e  Resistência à flexão. Características dos trilhos: O perfil da seção do trilho se compõe de três partes:  Boleto: parte superior onde se apoiam as rodas;  Alma: parte média; e  Patim: parte inferior, de apoio nos dormentes

asa

Este perfil é chamado de trilho “vignole”, porque foi

apresentadoo por Charles Vignole na Inglaterra em 1836. Superestrutura Ferroviária

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Superestrutura Ferroviária (8) Elementos da superestrutura ferroviária Trilhos (continuação)

Classificação dos trilhos Os trilhos são classificados por tipos, classes e qualidade (CB-23).  Tipos de trilhos

O tipo é fornecido pela massa nominal (em kg) pela unidade de comprimento (m). Normalização Brasileira

Tipo

CB-23

TR-25 TR-32 TR-37 TR-45 TR-50 TR-57 TR-68


kg/m

Norma equivalente dos EUA

24,65 ASCE 5040 32,04 ASCE 6540 37,10 ASCE 7540 44,64 ASCE 9020 50,35 ASCE 10025 56,90 ASCE 11325 67,56 ASCE 13627

libras/jarda

49,7 64,6 74,8 90,0 101,5 114,7 136,2

Transparência 8


Classificação dos trilhos (continuação)  Tipos de trilhos (continuação)

Características geométricas transversais dos trilhos Características

Área Boleto % do total Área Área calculada Alma % do da seção total 2 (cm ) Área Patim % do total Área total Momento de inércia (cm 4) Módulo de Boleto resistência Patim (cm3) Raio de giração (cm) Razão do módulo de resistência para a área do trilhp (cm)

das

seções

TR-25

Tipos de Trilhos TR-32 TR-37 TR-45 TR-50

TR-57

TR-68

13,23

17,16 19,87 20,58

24,51

25,51

31,35

42,0

42,0

42,0

36,2

38,2

34,8

36,4

6,58

8,58

9,94

13,68

14,52

19,68

23,35 23,35

21,0

21,0

21,0

24,0

22,6

27,1

27,1

11,61

15,10 17,48 22,64

25,16

27,68

31,42

37,0

37,0

39,2

38,1

36,5

31,42 413,7 81,6

40,84 47,29 56,90 64,19 72,58 86,12 703,4 951,5 1.610,8 2.039,5 2.730,5 3.950,0 120,8 149,1 205,6 247,4 295,0 391,6

86,7

129,5 162,9 249,7

291,7

360,7

463,8

3,63

4,15

4,49

5,32

5,63

6,13

7,11

2,60

2,95

3,15

3,63

3,86

4,06

4,55


37,0

39,8

Transparência 9

Superestrutura Ferroviária (10) Elementos da superestrutura ferroviária Trilhos (continuação)  Classes dos trilhos:

A classe do trilho depende de características que decorrem da posição de seu material no lingote de aço com o qual foi fabricado. - Trilho de classe no 1: Possui seção uniforme, em todo o seu comprimento. Retilíneo. Pode apresentar defeitos julgados toleráveis. - Trilho de classe no 2: Possui defeitos de superfície em tal número que não impeça sua aplicação em certas condições. Possui empeno maior do que a flecha de 106 mm para um comprimento de 72 m. A falta de identificação do trilho o enquadra nesta classe. - Trilho de de classe X: X: Trilho do topo do lingote, que no corpo de prova representativo do ensaio de entalhe e fratura apresenta indício de trinca, esfoliação, cavidade, estrutura brilhante, ou de granulação fina.


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Superestrutura Ferroviária (11) Elementos da superestrutura ferroviária Trilhos (continuação)  Qualidade dos trilhos

A qualidade dos trilhos é definida pela qualidade do aço: - Trilhos de aço-carbono – são os trilhos de qualidade corrente. - Trilhos tratados – indução elétrica, imersão em óleo e tratamento por chama proporcionam maior durabilidade (1,5 a 3,5 vezes a do aço-carbono). - Trilhos de ligas especiais – aço combbinado com silício, manganês, cromo, vanádio, nióbio etc. Fornecimento dos trilhos A fabricação de trilhos é padronizada comprimentos de 12, 18 e 24 metros. As tolerâncias são as seguintes:  Trilhos de 12 m: até 11% da encomenda comprimentos entre 7,80 e 11,70 m.  Trilhos de 18 m: até 11% da encomenda comprimentos entre 12,00 e 17,70 m.  Trilhos de 24 m: até 15% da encomenda comprimentos entre 15,90 e 23,70 m.


nos

com com com

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Furação dos trilhos Os trilhos podem ser fornecidos furados em suas extremidades, para permitir que sejam acoplados por meio de “talas de junção”.

Podem ser sem furos, com dois ou com três furos em uma ou em ambas as extremidades. Designação dos trilhos O trilho é designado pelo tipo, separado por um traço de união do seu comprimento nominal, seguido da quantidade de furos e da indicação se em apenas uma ou nas duas pontas, também separadas por traço de união. Exemplos: TR-68 – 24 – c  6: Trilho tipo TR-68, com 24 metros e 6 furos, 3 em cada ponta. TR-57 – 18 – c  2: Trilho tipo TR-57, com 18 metros e 2 furos em uma ponta. TR-37 – 12 – s : Trilho tipo TR-37, com 12 metros, sem furos.


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Marcação dos trilhos Os trilhos são marcados:  Em um dos lados da alma, por laminação, com; - a marca do fabricante; - o país de origem; - se for o caso, com a indicação de processo de resfriamento controlado (RC); - o processo de fabricação (tipo de forno): T (Thomas), B (Bessemer), M (Martin), E (Elétrico) e SM (Siemens- Martin); - o tipo (TR); e - o ano e o mês de fabricação. Exemplo: CSN – Brasil – RC – SM – TR-57 – 1985 - IIII  No

outro lado da alma do trilho, por estampagem, com: - número da corrida; - letra indicativa da posição no lingote; e - número do lingote, por ordem de lingotamento. Exemplo: 05200 – B – 15


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Marcação dos trilhos (continuação) 

Em ambos os topos (no centro do boleto), por estampagem, com as classes X ou 2 (o trilho n o 1 não é marcado. O topo dos trilhos no 2 é pintado de branco e o dos trilhos X, de marron. O topo dos trilhos no 1 é pintado de: - azul, quando tiverem o comprimento padrão encomendado e constituindo uma çorrida”com teor de

carbono 5 pontos acima do percentual especificado. - verde, quando estiverem com comprimento inferior ao especificado; e - amarelo, quando for o primeiro trilho (A) de cada lingote; A cor indica como o trilho será empregado na via: - Trilho sem cor: emprego em qualquer via, preferencialmente em tangentes; - Trilho de topo azul: emprego preferencial nas curvas; - Trilho de topo verde: emprego em qualquer via; - Trilho de topo amarelo: evitar o emprego em locais de difícil inspeção; - Trilho de topo branco: emprego somente em vias de baixa intensidade de tráfego e e, desvios; e - Trilho de topo marron: emprego somente em vias secundárias e desvios.


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Substituição dos trilhos  Por defeitos:

- falhas de fabricação; - manipulação descuidada; - implantação mal efetuada; - conservação deficiente; - operação inadequada do tráfego; e - cargas excessivas  Por avarias: - existência de fraturas completas ou fendas e fissuras que possam levar à fratura; - decorrentes da passagem de rodas defeituosas ou fraturadas; e - decorrentes de acidentes na via (trilhos torcidos ou quebrados)  Por desgaste ou fadiga: - decorrente da ação do tráfego; - das condições do traçado; e - da conservação e da qualidade da via.


Transparência 15


Vida Útil dos trilhos  Vida útil dos trilhos em função do desgaste:

VUT  1,932 W D

0,565

8  onde:   k  i  i 1 

VUT = vida útil do trilho (em anos) W = peso do trilho (em kg/m) D = densidade anual de tráfego (em MTB) k1 = função do tipo do trilho k2 = função da velocidade de operação k3 = função da rampa k4 = função do raio de curva k5 = função da carga por eixo k6 = função do tipo de transporte (trem padrão) k7 = função das condições de drenagem, da plataforma, da manutenção e das características do lastro k8 = função da bitola e da sinuosidade do traçado: Iy Lc  Lt onde: Iy = 0,94 para bitola métrica k8  Lc  Lt Iy = 1,18 para bitola larga Lc = extensão em curvas Lt = extensão em tangentes


Transparência 16


Vida Útil dos trilhos (continuação)  Vida útil dos trilhos em função da fadiga:

VUT 

1

onde

    Bi  i  Ni  VUT = vida útil do trilho (em anos) Bi = total de ciclos aplicados à via com a carga i (MTBA – milhões de toneladas brutas anuais) Ni = total de ciclos que provoca a fadiga pela ação da carga i (em MTB) A vida útil será estimada em função do maior entre os dois valores.


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Superestrutura Ferroviária (18) Elementos da superestrutura ferroviária Acessórios de fixação dos trilhos

Talas de junção: São peças destinadas a propiciar a junção dos trilhos quando não se empregar a soldagem das barras, mantendo-os como uma viga contínua em nivelamento e alinhamento. Sua classificação é a mesma dos trilhos aos quais serão adaptadas (TR-45, TR-57 etc.).


Transparência 18

Superestrutura Ferroviária (19) Elementos da superestrutura ferroviária Dormentes

Para atender à sua função, os dormentes devem atender aos seguintes requisitos:  Oferecer

resistência aos esforços recebidos dos

trilhos;  Transmitir esforços compatíveis com a capacidade de suporte do lastro;  Fixar os trilhos, evitando deslocamentos transversais e longitudinais;  Manter a bitola da via;  Permitir o adensamento do lastro;  Facilitar a substituição das peças de fixação dos trilhos; e  Possuir durabilidade; Materiais para dormentes:  Madeira  Aço  Concreto


Transparência 19


Dormentes de madeira:

Qualidades dos dormentes de madeira:  Pouco pesado, facilitando o manuseio, o transporte, a carga, a descarga e a aplicação na via  Únicos a assegurar, sem dispositivos especiais, o isolamento elétrico entre as duas linhas de trilhos, facilitando o emprego dos circuitos de via na sinalização automática; e  Reaproveitamento possível, em caso de acidente de descarrilamento, quando não muito danificados. Problemas no emprego de dormentes de madeira:  Apodrecimento progressivo e rápido (quando sem tratamento), diminuindo a durabilidade;  Apresenta maior desgaste mecânico crônico do que os dormentes de outros materiais, pela ação do patim do trilho ou da placa de apoio, o que obriga à restauração periódica do entalhe; e  Escassez de madeiras de qualidade, que demoram a ser renovadas. Superestrutura Ferroviária

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Dormentes de madeira (continuação): Classificação dos dormentes de madeira (EB-101) a  1 categoria: Madeira de lei, puro cerne, sem defeitos Uma das faces serradas (face inferior) a  2 categoria: Madeira de lei, puro cerne, com defeitos toleráveis Sem defeitos, com com distribuição uniforme de alburno em todas as faces Dormentes que não se enquadrem como de 1 a categoria, por não possuirem uma das faces serradas a  3 categoria Madeira de lei ou madeira branca, com defeitos toleráveis Distribuição desuniforme de alburno  Refugo Dormentes que não se enquadrem em nenhunma das três categorias. Dimensões nominais dos dormentes de madeira: Bitola (m)

1,000 1,435 1,600

Comprimento (m)

Largura (m)

Altura (m)

Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo

1,90 2,55 2,65

2,00 2,65 2,80


0,22

0,24

0,16

0,17

Transparência 21


Dormentes de aço:

Qualidades dos dormentes de aço  Leveza (peso entre 70 e 80 kg)  Fácil assentamento  Boa ancoragem, devido à sua forma

Problemas no emprego dos dormentes de aço  Por

ser metálico, dificulta o isolamento entre as linhas de trilhos  Produz ruído quando da passagem dos veículos  Não se adaptam a qualquer perfil de trilho  Custo mais elevado. Não há normalização brasileira para dormentes de aço. Superestrutura Ferroviária

Transparência 22


Dormentes de concreto: Tipos de dormentes de concreto:  Monobloco (armado ou protendido)



Bi-bloco



Articulados


Transparência 23


Dormentes de concreto: Qualidades dos dormentes de concreto:  Caracterizam-se

pela

uniformidade

de

sua

constituição  Conferem maior robustez à via, proporcionando maior resistência  Conferem maior estabilidade à via, com maior segurança para o tráfego e melhores condições de manutenção  Possuem maior capacidade de absorção dos esforços transversais  Possuem maior durabilidade (vida útil duas a três vezes superior ao dormente de madeira)  Oferecem possibilidades praticamente ilimitadas de produção, cujos custos são mais precisos Problemas no emprego de dormentes de concreto:  Necessitam de maior investimento financeiro inicial  Requerem equipamentos especiais e caros para o

seu manuseio  Obrigam a uma manutenção maior dos trilhos  São quebradiços, exigindo assentamento perfeito e não resistem a grandes impactos Superestrutura Ferroviária

Transparência 24

Superestrutura Ferroviária (25) Elementos da superestrutura ferroviária Acessórios de fixação dos trilhos aos dormentes

Pregos ou grampos de linha: Peças destinadas a fixar rigidamente os trilhos aos dormentes de madeira. Os tipos mais empregados são:  Prego cabeça de barata  Prego cabeça de cachorro Características:  Boa

resistência lateral, mantendo a bitola  Baixa resistência ao arrancamento (em torno de 2.200 kgf), conduzindo a folgas com a passagem do tráfego Tirefões ou Tirefonds : Parafusos de rosca soberba com a mesma função dos pregos de linha. Características:  Menor resistência lateral do que o prego  Maior

resistência ao arrancamento (7.000 kgf), prendendo melhor o trilho ao dormente


Transparência 25


(continuação)

Grampo elástico simples ( rueping ): Peça destinada à pregação dos trilhos aos dormentes e que busca retardar o aparecimento das folgas. Características:  Confere maior estabilidade à via  Suprime o emprego de retensors pela maior resistência longitudinal (400 a 1.500 kgf)  Sua substituição somente é necessária quando perde suas propriedades elásticas. Grampo elástico duplo:

Tem a mesma função do grampo simples, sendo cravado no dormente ou encaixado na placa de apoio. Superestrutura Ferroviária

Transparência 26


(continuação)

Placas de apoio:

Peças destinadas ao assentamento do trilho sobre o dormente. Permitem distribuição da pressão dos trilhos sobre uma superfície maior do dormente. Impedem que o patim, sob a ação de forças laterais, exerça solicitações horizontais sobre a pregação. Aumentam a vida útil dos dormentes. Reduzem o custo de conservação da via. As placas de apoio são classificadas de acordo com o tipo de trilho assentado (PA-45, PA-57 etc.). Superestrutura Ferroviária

Transparência 27


Fixações indiretas: Fixam o trilho à placa de apoio e esta ao dormente.  Fixação GEO

Consiste em uma placa de apoio fixada ao dormente por quatro “tirefonds”, com nervuras nas quais se

encaixam as cabeças dos parafusos que apertam uma castanha contra o patim do trilho. Entre as castanhas e as porcas colocam-se arruelas que tornam a fixação elástica. Aplica-se a dormentes de madeira e de concreto.

 Fixação PANDROL

Consiste em um grampo de aço de mola que se encaixa em furos da placa de apoio própria. Aplica-se também a dormentes de madeira e de concreto. Superestrutura Ferroviária

Transparência 28


Fixações indiretas (continuação): 

Fixações para dormentes de concreto Fixação C.S.3

Fixação F.I.S.T.

Fixação DENICK

Fixação R.N.


Transparência 29


Retensores:

Peças que transferem aos dormentes os esforços que tendem a deslocar o trilho na direção longitudinal. Seu emprego é indispensável nas fixações rígidas, enquanto que, com as elásticas, apenas complementa o retensionamento da pregação. Características  Possui

poder de retensão superior à resistência do lastro ao deslocamento do dormente  Peça única a ser adaptada ao trilho  Possibilidade de reaplicação.


Transparência 30

Superestrutura Ferroviária (31) Elementos da superestrutura ferroviária Lastro

Características e condições para o lastro:  Resistência aos esforços transmitidos pelos dormentes e aos golpes da “socaria”  Durabilidade contra a abrasão e ao intemperismo  Custo compatível  Fácil obtenção  Facilidade de manutenção  Estar livre de material pulverulento e de argilas, para garantir a permeabilidade e a elasticidade. Materiais empregados como lastro:  Pedra britada (o melhor)  Escória de alto forno fragmentada  Pedregulhos  Cascalho  Laterita  Areia grossa Parâmetros do lastro de pedra britada:  Granulometria: de 25 a 64 mm 3  Marra específica aparente maior que 2,4 kg/cm  Absorção de água menor que 1%  Porosidade aparente menor que 2%  Resistência ao desgaste (Ensaio de Los Angeles): Lastro de 1a categoria:  40% Lastro de 2a categoria:  50%  Resistência à compressão superior a 100 Mpa  Teor de argila inferior a 0,5%  Teor de materiais pulverulentos inferior a 1%. Superestrutura Ferroviária

Transparência 31

Superestrutura Ferroviária (32) Elementos da superestrutura ferroviária Sub-lastro

Características e condições para o sub-lastro:  Resistência

à compressão capaz de evitar a penetração dos grãos do lastro  Granulometria compatível com a do lastro  Homogeneidade  Durabilidade contra a abrasão e o intemperismo  Estar livre de material argiloso e / ou matéria orgânica  Facilidade de compactação Materiais para sub-lastro:  Solo natural compactado  Cascalho  Restos de pedreira

Parâmetros para o sub-lastro:

15 Granulometria: DL onde 5 DSL 25 DL(15) = diâmetro de 15% do material do lastro DSL(25) = diâmetro de 25% do material do sublastro  Limite de liquidez  25  Índice de plasticidade  6  Índice de grupo = 0 


Transparência 32

Superestrutura Ferroviária (33) Ação do tráfego sobre a via ferroviária

A influência da passagem do tráfego sobre o comportamento estrutural da via ferroviária decorre  Da carga por eixo dos veículos e da freqüência de sua aplicação: Determinam a capacidade de suporte e a resistência à fadiga e ao desgaste.  Da velocidade de circulação dos veículos: Introduzem acréscimos às cargas estáticas devido aos efeitos da ação dinâmica conjunta das cargas e das velocidades. A ação dinâmica conjunta das cargas e das velocidades é resultado dos movimentos parasitas. Os movimentos parasitas são movimentos de rotação ou de translação em relação às direções vertical, horizontal transversal e horizontal longitudinal, que ocorrem durante o deslocamento dos veículos.


Transparência 33

Superestrutura Ferroviária (34) Ação do tráfego sobre a via ferroviária Movimentos parasitas

Galope: Movimento de rotação em torno do eixo horizontal transversal. Balanço (roulis ): Movimento de rotação em torno do eixo horizontal longitudinal. Serpenteamento (lacet ): Movimento de rotação em torno do eixo vertical. Trepidação ou martelamento: Movimento de translação segundo o eixo vertical. Recuo ou reptação): Movimento de translação segundo o eixo horizontal longitudinal. Movimento lateral: Movimento de translação segundo o eixo horizontal transversal. Os movimentos parasitas decorrem de fatores inerentes aos veículos e das condições da via.  Fatores dos veículos: ação dos motores, inércias internas, defeitos nas rodas.  Fatores da via: perfil longitudinal, defeitos de construção e manutenção. Superestrutura Ferroviária

Transparência 34

Superestrutura Ferroviária (35) Ação do tráfego sobre a via ferroviária Esforços sobre a via  Cargas estáticas (trem parado)  Cargas

devidas ao movimento: acréscimos às cargas estáticas devidas à velocidade. Esforços verticais sobre a via: Com direção normal à superfície da via, produzem tensões de compressão e de flexão, decorrentes de:  Cargas estáticas;  Força centrífuga vertical(gerada por qualquer massa excêntrica do veículo);  Movimento de galope;  Movimento de balanço ( roulis );  Movimento de trepidação;  Superelevação da via (sobrecarga em um dos trilhos);  Defeitos da via;  Defeitos do material rodante;  Ventos (quando apresentam uma componente vertical).


Transparência 35

Superestrutura Ferroviária (36) Ação do tráfego sobre a via ferroviária Esforços sobre a via (continuação)

Esforços longitudinais sobre a via: Agem na direção longitudinal dos trilhos, produzindo tensões axiais de compressão e de tração devidas a:  Dilatação dos trilhos;  „Movimento de reptação (tensões causadas pela

deformação elástica dos trilhos devida à passagem das rodas);  Componente longitudinal do golpe das rodas no topo dos trilhos em juntas arriadas;  Ação do esforço trator (componente horizontal da aderência);  Componente axial do atrito da roda com o trilho;  Frenagem (ocasiona uma força de atrito longitudinal no sentido do movimento); Esforços transversais sobre a via: Agem perpendicularmente à direção da via e são causados por:  Componente horizontal transversal da força centrífuga gerada por massas excêntricas do material rodante;  Movimento de lacet  Vento;  Deficiências no alinhamento da via Superestrutura Ferroviária

Transparência 36


Determinação das sobrecargas devidas movimento dos veículos: Coeficiente de impacto (coeficiente dinâmico): Acréscimo da solicitação estática devido movimento do veículo: Valores experimentais mais consagrados:  AREA (Fórmula de Driessen) 2

V  1  kd 30.000



ao

ao

onde:

kd = coeficiente de impacto V = velocidade (em km/h) RFFSA (IVR-7-10/78 pg. 14): 2

V   1 kd 60.000 

AAR: kd  1  0,209



V D

onde:

D (diâmetro da roda (em cm) Ferrovias alemãs (Fórmula de Schramm): 4,5 V 2 1,5 V3  kd  1  100.000 10.000.000


Transparência 37


Determinação das sobrecargas movimento dos veículos:

devidas

ao

Coeficiente de impacto (coeficiente dinâmico): 

Fórmula de Eisenmann (empregada no Metrô-RJ) Kd = 1 + t . s

onde

t = coeficiente de confiabilidade: t = 1 para confiabilidade de 68,3% t = 2 para confiabilidade de 95,4% t = 3 para confiabilidade de 99,7% s = coeficiente de qualidade da via: s = 0,1 para superestrutura excelente s = 0,2 para superestrutura razoável s = 0,3 para superestrutura ruim Para V  60 km/h:  =1,0 Para 60 km/h  V  140 km/h V  60   1,0  140


Transparência 38


Determinação das sobrecargas movimento dos veículos:

devidas

ao

Coeficiente de impacto (coeficiente dinâmico): 

Fórmula do Comitê D-71 da ORE (TGV): 3 3    V   k  V  1 a . b 0 , 1 0 , 017        kd  100 100      

onde

a = coeficiente função das condições de rigidez da via: a = 1,3 para V  140 km/h a = 1,2 para 140 km/h  V  200 km/h b = coeficiente função do desempenho dos veículos de tração: b = 2,0 para locomotivas com V  140 km/h b = 1,5 para locomotivas com 140 km/h  V  200 km/h k = parâmetro função das condições de operação da via e dos veículos: k = 0,4 (Gomes, 1983)


Transparência 39


Comportamento estrutural da via ferroviária: Zimmermann considerou o trilho como uma viga contínua, apoiada sobre suportes elásticos.

Nesse caso, em qualquer ponto da via, a reação a uma carga Q pode ser descrita como uma pressão q proporcional à ordenada y da deformação elástica correspondente: q=k.y Q y

q


Transparência 40


Comportamento estrutural da via ferroviária: Timoshenko adaptou as equações de Zimmermann para uma situação em que os trilhos se consideravam apoiados sobre dormentes longitudinais. A equivalência entre o dormente longitudinal e o transversal é: Q

Q

b


b1 . s d

Transparência 41


Comportamento estrutural da via ferroviária: Tomando-se Q = q . b . dx

e

dM Q dx

tem-se

dQ d2 M  2  q.b dx d x

Como: 2 d y M  E I d x2

onde

E = módulo de elasticidade da viga I = momento de inércia da viga dy dx

= equação da linha elástica da viga

Derivando M duas vezes, vem: 2 4 d M d y EI 2 dx d x4

e

4 d y q . b  E I 4  k . y . b dx


Transparência 42


Comportamento estrutural da via ferroviária: Fazendo-se L4

4E I kb

e

B



x L

onde

L = comprimento de rigidez da viga tomada como a via ferroviária x = extensão da via onde serão determinados a deformação y, a pressão q e o momento M B = número de vezes em que L está contido em x Deduz-se, então, que: k.b  4 L4 EI

Como: 4 k . y.b d y   d x4 EI

tem-se

4 d y 4  4 y0 L 4 dx


Transparência 43


Comportamento estrutural da via ferroviária: A resolução da equação fornece: y

Q B e cos B  sen B 2k bL

e

Q B q e cos B  sen B 2bL

Deduzindo o momento M: Q L B M e cosB  senB  4

O esforço cortante P é: P

Q B e cos B 2

O momento fletor máximo a considerar será, portanto: Mmax = Max {  Mij }

onde

i

Mij = momento fletor no ponto j devido à carga aplicada no ponto i. Analogamente, o cortante máximo será: Pmax = Max {  Pij } i


Transparência 44


Comportamento estrutural da via ferroviária: Helly estudou a distribuição das cargas abaixo do dormente, considerando-o como uma viga finita transversal de comprimento l submetida a dois esforços verticais de igual valor Q, com espaçamento r, também apoiada sobre uma base elástica, para a cujas deformações variam conforme a figura:

s

yl

Q

u

t

yr

t

yn

yu

yu

s

Q

yr

yl

l

A deformação máxima é dada por: yr 

2 Q l  u  r    k b1  N 


Transparência 45


Comportamento estrutural da via ferroviária: A pressão máxima sob o dormente será, portanto: 2 Q l  u  r  qr    b1  N 

onde

u  20 i  16 t 4  20 u t3

r  20 i  t2 9 t2  10 s2  10 u t t2  s2  l  20 i  s3 11 s  40 t  20 u i

6EI k b1

u = extensão descompactada da base de assentamento do dormente (em cm) s = extensão compactada externa ao trilho da base de assentamento do dormente (em cm) t = extensão compactada interna ao trilho da base de assentamento do dormente (em cm) k = coeficiente de deformação elástica do material da base de assentamento do dormente (em kgf/cm2.cm) E = módulo de elasticidade do material constituinte do dormente (em kgf/cm2) I = momento de inércia equatorial da seção de viga do dormente (em cm4) Superestrutura Ferroviária

Transparência 46


Comportamento estrutural da via ferroviária: O momento fletor máximo no dormente é: k b s2 2 yl  yr  Mr  6

onde

yl = deformação do material de assentamento na extremidade do dormente, obtido por: 2 Q  u l  r u  yl    k b1  N 

onde

u  25 t3 s  20 t2 s u N  u s r  s  t  l  r s u  t l   l s  t  u  t l

r  20 i  s 4 s3  15 t3  20 t s2  10 st2  s2  l  20 t s2 u  t 


Transparência 47

Superestrutura Ferroviária (48) Ação do tráfego sobre a via ferroviária Dimensionamento da superestrutura ferroviária

Comportamento estrutural da via ferroviária: Para os valores de k pode se seguir a seguinte orientação: Coeficiente Terreno de Espessura fundação de lastro (k) (kgf/cm2.cm) Argiloso de Pequena consistência 3 Cascalho ou média pedra britada Média Firme 5 Comprimida Pedra britada ou Firme 8 consolidada Pedra britada Firme ou cuidadosamente Consolidada rocha 15 escolhida resistente Material de lastro


Transparência 48


Seleção do tipo de trilho a empregar  Fórmula do Congresso Ferroviário do Cairo:

pt = 2,5 Qe

onde

pt = peso do trilho (em kgf/m) Qe = carga por eixo do veículo mais pesado (em tf)  Fórmula de Yershov:

pt 

Vmax 2,2

onde

Vmax = velocidade máxima admitida (em km/h)  Fórmula de Shulga:

pt = 31,046 T0,203

onde

T = quantidade de carga transportada anualmente (em MTB)  Fórmula de Shajunianz:

pt  a 1  4 T  10,012 V 

0,667

0,667

Qe

onde

a = 1,2 para vagões a = 1,13 para locomotivas Superestrutura Ferroviária

Transparência 49


Seleção do tipo de trilho a empregar (continuação)  Fórmula de Schramm:

pt = K Qe

onde

K = 2 para tráfego leve e / ou velocidade reduzida K = 2,8 para tráfego pesado e / ou alta velocidade  Fórmula de Zimmermann:

pt 

2 Pmax d KV

onde

Pmax = esforço cortante máximo no trilho (em tf) d = espaçamento entre os dormentes (em cm) Kv = coeficiente devido à velocidade: Kv = 13 a 15 para altas velocidades Kv = 15 a 17 para velocidades baixas


Transparência 50

Superestrutura Ferroviária (51) Dimensionamento da superestrutura ferroviária

Determinação das tensões de trabalho no trilho:  Tensão no patim do trilho: 

M p  max Wp

onde

= tensão de tração aplicada no patim do trilho (em kgf/cm2)  Mmax = momento fletor positivo máximo (em kgf x cm) Wp = módulo de resistência no patim do trilho (cm 3)  Tensão no boleto do trilho: p



Mmax  b Wb

onde

= tensão de tração aplicada no boleto do trilho (em kgf/cm2)  Mmax = momento fletor negativo máximo (em kgf x cm) Wb = módulo de resistência no boleto do trilho (cm3)  Tensão de tração máxima no trilho devida à flexão: b

f

= { Max p, b }


Transparência 51


Determinação das tensões de trabalho no trilho (continuação):  Tensão devida à variação de temperatura: temp

=  . t . E

onde

= tensão devida à variação de temperatura (em kgf/cm2)  = coeficiente de dilatação térmica do aço: -5 -1  = 1,2 . 10 º C t = variação de temperatura (em º C) E = módulo de elasticidade do aço: E = 2,1 . 10 6 kgf/cm2 temp

 Tensão máxima de compressão no trilho:

c = temp  Tensão máxima de tração no trilho:

t = f

+ temp

Os valores de c e de t têm que ser inferiores aos valores máximos admissíveis correspondentes para o perfil de trilho em análise. Superestrutura Ferroviária

Transparência 52


Verificação da escolha do dormente: 

Tensão de compressão do trilho sobre o dormente: A tensão de compressão do trilho sobre o dormente é: qt 

Pmax lp b1

onde

qt = tensão de compressão do trilho sobre o dormente (kgf/cm2) Pmax = esforço cortante máximo entre o trilho e o dormente (em kgf) lp = largura do patim (em cm) b1 = largura do dormente (em cm) 

Tensão de flexão no dormente: Mr  f

Wd

onde

= tensão de flexão no dormente (em kgf/cm2) Mr = momento fletor máximo no dormente (em kgf x cm) Wd = módulo de resistência à flexão do dormente (em cm3) As tensões têm que ser inferiores às máximas admissíveis para o material constituinte do dormente. f


Transparência 53


Determinação das tensões admissíveis dos materiais de fundação:  Fórmula de Heukelom:

adm  adm

0,006 E 1  0,7 log N

onde

= tensão admissível do material (em kgf/cm2)

E = módulo de elasticidade do material (em kgf/cm2) N = número de repetições previstas de uma carga de 8,2 tf durante a vida útil da plataforma N = 2 x 106 quando não houver dados precisos E  100 CBR (Heukelom) E = 65 CBR0,65 (Jeuffroy) Verificação das tensões transmitidas ao lastro: qr  l l =

onde

tensão de compressão máxima admissível sobre o lastro (em kgf/cm2)


Transparência 54


Pré-dimensionamento da espessura do lastro:  Fórmula de Schramm:

z

1,5 qr b d

3 l  lv  lp   b1 sl tan 

onde

z = espessura equivalente do lastro em material do sublastro (em cm) qr = pressão sob o dormente (em kgf/cm 2) l = comprimento do dormente ( em cm) lv = bitola da via (em cm) lp = largura do patim do trilho (em cm) b1 = largura do dormente (em cm) sl = tensão admissível do material de sublastro (em kgf/cm2)  = ângulo de distribuição das pressões no lastro  = 30º para lastro grosso, áspero e seco  = 40º para lastro fino, liso e úmido Adota-se, em geral,  = 36º. Aproxima-se o valor de h l para o múltiplo de 5 imediatamente superior, por conta da precisão dos serviços de construção. Superestrutura Ferroviária

Transparência 55


Pré-dimensionamento (continuação):

da

espessura

de

lastro

 Fórmula de Talbot:

 53,87 qr    sl 

0,8

z

 Fórmula da J. N. R.:

 50 qr    10 sl 

0 ,8

z

 Fórmula de Boussinesq:

z

qr b d 2  sl

 Fórmula de Love: 2   3  sl   2 s t  1     qr     z 2  sl  3    qr 


Transparência 56


Verificação do dimensionamento da espessura de lastro: 

Fórmula de Eisenmann: 2 qr  2 b1 z  b1  2  arc tan  z  2 2 z b1  4 z    z =

hl 

onde

tensão sobre o sublastro (em kgf/cm2) z Esl 3 0,9 El

onde

hl = espessura real do lastro (em cm) El = módulo de elasticidade do lastro (em kgf/cm2) Esl = módulo de elasticidade do sublastro (em kgf/cm2) Para que a espessura calculada seja aceita, é preciso que: z  sl

Caso essa condição não seja satisfeita, aumenta-se a espessura em mais 5 cm e procede-se a nova verificação, até que ela aconteça. Dimensionamento do sublastro: O dimensionamento do sublastro é realizado de maneira análoga ao do lastro.


Transparência 57

Superestrutura Ferroviária (58) Assentamento da via ferroviária

São vários os processos de assentamento em uso, correspondendo a cada um deles conjunto de equipamentos dos mais simples aos mais sofisticados. A opção por um desses processos é de fato mais um problema de logística e de bom senso pois está sujeita a fatores como: - produtividade exigida pelo cronograma; - características dos componentes da infraestrutura; e - o custo elevado dos equipamentos. A diferença básica está na montagem da grade (conjunto dos trilhos, dormentes e acessórios de fixação). A partir da grade montada, todos os processas convergem para a mesma seqüência.


Transparência 58


A seqüência básica é a seguinte: 1) Locação e implantação dos marcos de alinhamento e nivelamento da via (locação para os trilhos): -

pré-locação do eixo com piquetes nos pontos singulares da via; nivelamento final com projeção do greide dos trilhos; transferência da locação do eixo para a margem da plataforma; piquetes de trilhos com entalhe lateral para indicar a cabeça dos trilhos (sua posição) com a altura do lastro, do dormente e do trilho empregado; e marcação da superelevação nas curvas.

2) Espalhamento dos dormentes por meio rodoviário ao longo da plataforma, após ou não uma primeira distribuição de lastro por via rodoviária. 3) Espalhamento das placas de apoio para posicionálas sobre os dormentes de madeira furados previamente na usina de tratamento. Dependendo do grau de mecanização disponível e da produtividade requerida, o emplacamento poderá ser feito no estaleiro, chegando o dormente no local de serviço já com a placa de apoio fixada. Os dormentes de concreto já vêm equipados de fábrica com as placas de apoio e as fixações. Superestrutura Ferroviária

Transparência 59


4) Colocação dos dormentes nos espaçamentos previstos já com as placas de apoio fixadas com tirefonds . Caso o entalhamento dos dormentes de madeira seja feito no local, deverá ser feito nesta ocasião, para depois, então, prosseguir-se com a colocação das placas e dos dormentes nos espaçamentos previstos. 5) Colocação dos trilhos longos soldados: -

-

-

transporte das barras de trilhos longos soldados (comprimento em torno de 200 m) por via ferroviária, a partir do estaleiro de solda ou de depósito de estocagem. transporte de roletes para suporte inicial e movimentação longitudinal das barras de trilhos; os roletes são colocados.entre os dormentes (para os dois trilhos), numa extensão de aproximadamente 400 m, a cada 3 dormentes e em nível, para que o trilho corra sem atritar-se com os dormentes, metade junto à última extensão lançada e metade na frente de serviço; com a chegada do trem de serviço com as barras soldadas, duas delas são presas às extremidades da via já lançada. O trem, a seguir, recua, e as duas barras vão caindo sobre os roletes colocados entre os dormentes.


Transparência 60


-

-

Depois de colocadas sobre os roletes da via existente, as barras são empurradas pelo próprio trem, de modo a ficarem sobre os roletes existentes no trecho a ser construído. Após o posicionamento dos trilhos longos soldados na bitola, os roletes são transportados para sua nova posição entre os dormentes do novo trecho e a composição poderá fazer o lançamento de mais duas outras barras.

6) Fixação das barras descarregadas: -

-

fixação das extremidades dos trilhos descarregados com talas de junção e parafusos (juntas provisórias). Posteriormente estas juntas serão substituídas por solda elétrica ou aluminotérmica, executada in loco; fixação do trilho a cada três dormentes. após a passagem do trem com trilhos longos, os trilhos são fixados aos dormentes soltos.

7) Distribuição do lastro da segunda camada: -

Carregamento de pedra nos estoques (dotados de pás carregadeiras – sempre uma sobressalente). O trem de lastro chega à frente de serviço onde já está uma máquina reguladora de lastro.de porte médio, em movimento lento e em grupo de quatro vagões de cada vez. Em cada vagão, 3 homens controlam a saída da pedra que cai parte entre os trilhos e parte fora da linha. Concluída a descarga, o trem volta para o local de estocagem do lastro.


Transparência 61


8) Regularização provisória -

espalhamento do lastro (que está sob forma irregular) pela máquina regularizadora de lastro que já está no local.

9) Primeiro levante, alinhamento e socaria -

-

O primeiro levante, feito pela máquina socadora – niveladora, é da ordem de 12 cm e será executado após a passagem dos trens de serviço do avançamento. Em seguida, vem a socaria, um afofamento do lastro lançado. Cuidados devem ser tomados para a transição do nivelamento na extremidade do trecho em que já foi lançado lastro com o que ainda não teve esse lançamento.

10) Distribuição e regularização provisória do lastro para a terceira camada -

As operações são semelhantes às descritas anteriormente.

11) Segundo levante, alinhamento e socaria -

Entrada da máquina socadora – niveladora para efetuar o levante de pelo menos5 cm, e socaria.


Transparência 62


12) Colocação da camada final para complementação do lastro, para a execução dos alinhamentos e nivelamentos definitivos. As operações de carregamento e descarna de pedra são idênticos aos casos anteriores. 13) Regularização do lastro e acabamento A socadora pesada procede o puxamento, nívelamento e socaria, ajustando as superelevações definitivas nas curvas. 14) Liberação de tensões e soldagem de fechamento Antes de soldá-los definitivamente, faz-se a neutralização de tensões dos trilhos, dando-lhes o comprimento teórico que corresponde a uma temperatura predeterminada que coincide com a temperatura média da região onde está sendo assentada a via, com uma tolerância de ± 5º C. Quando a temperatura dos trilhos estiver abaixo da neutra, procede-se ao afrouxamento das fixações. Permite-se a dilatação do trilho solto e, em seguida, efetua-se o re-aperto das fixações 15) Revisão e regularização finais do lastro passagem final de uma socadora – niveladora – alinhadora pesada; e passagem final de uma reguladora de lastro. 16) Implantação de marcos marcação quilométrica, referências de alinhamento e nivelamentos de acordo com o estaqueamento do projeto. Superestrutura Ferroviária

Transparência 63

IME - Superestrutura Ferroviária (completo) revisão 2011-1

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