Após a análise do comportamento da via e da estrutura, indiretamente apercebe-se que o fenómeno de interação resulta de deslocamentos relativos entre as mesmas. Deste modo, é necessário ter em conta todas as ações que possam conduzir a estes efeitos de interação para que, em serviço, a estrutura ferroviária tenha um bom desempenho. Seguidamente, enumeram-se as ações relevantes para a análise em causa:
Variação da temperatura;
Ações verticais do tráfego ferroviário;
Ações horizontais resultantes do arranque e frenagem do tráfego ferroviário; Efeitos diferidos do betão do tabuleiro (retração e fluência);
Deslocamentos longitudinais dos apoios e deformação da estrutura devido ao gradiente térmico vertical do tabuleiro.
Na maioria dos casos, das ações acima referidas é dada maior relevância às três primeiras.
A retração e a fluência não são consideradas relevantes na análise de interação devido ao tempo que envolve o processo de construção da ponte/viaduto e posterior colocação da via sobre a mesma. Outra justificação para a não consideração dessas ações é o facto das operações de manutenção da via serem realizadas com frequência, podendo mesmo conduzir à anulação/dissipação dessas ações visto que essas se manifestam a longo prazo (Ramondenc et al., 2007).
2.3.1.VARIAÇÃO DA TEMPERATURA
A utilização de vias de barra longa soldada (BLS) tem um aspeto particular: como o movimento livre dos carris está restringido devido à eliminação das juntas, quando a via é submetida a variações térmicas
os carris tendem a dilatar e a contrair gerando, respetivamente, esforços axiais de compressão e de tração. Estes efeitos devem ser controlados de maneira a ser garantida a segurança da via.
No entanto, a variação da temperatura no tabuleiro também deve ser tida em conta pois, os movimentos do tabuleiro podem levar a efeitos de interação entre este e a via e a uma redução da resistência longitudinal do balastro devido à desconsolidação do mesmo. A simulação do efeito da temperatura na estrutura ferroviária difere de caso para caso. Para além de depender das condições climatéricas da região em que se insere a obra, depende também do facto de existirem ou não aparelhos de dilatação de via.
A ficha UIC-774-3-R (2001) recomenda que nos casos onde existam AD’s devem ser consideradas diferenças de temperatura entre o carril e o tabuleiro. A temperatura de referência do tabuleiro é a sua temperatura no momento em que o carril é instalado. Assume-se que o desvio da temperatura de referência não ultrapassa o intervalo de ± 35 ºC no caso do tabuleiro e de ± 50 ºC no caso do carril. Por outro lado, a diferença entre a temperatura do tabuleiro e do carril não pode exceder ± 20 ºC.
Nos casos em que a via não é dotada de AD’s, a variação da temperatura da via não provoca deslocamentos relativos entre o carril e o tabuleiro, logo a única variação de temperatura a considerar é a do tabuleiro.
Na análise de interação, a tensão normal no carril gerada por efeito da variação da temperatura do tabuleiro considera-se como “tensão adicional”, a ser somada à tensão normal que se gera devido à própria variação de temperatura do carril confinado (Sanguino e Requejo, 2007). A partir da equação 2.4 é possível determinar a tensão normal no carril sujeito à ação da temperatura.
c c c
c
=α
⋅∆T
⋅E
σ
(2.4)σc – Tensão normal instalada no carril;
α – Coeficiente de dilatação térmica do carril; ∆Tc – Variação da temperatura no carril;
Ec – Módulo de elasticidade do carril.
2.3.2.SOBRECARGA FERROVIÁRIA
Como referido em 2.2.3.1. a sobrecarga ferroviária pode provocar a deformação vertical do tabuleiro conduzindo a rotações e deslocamentos horizontais das suas extremidades. Estes efeitos criam assim fenómenos de interação entre a via e a estrutura.
No que respeita aos modelos de cargas preconizados no documento normativo EN 1991-2 (2003), consoante o nível de tráfego ferroviário podemos ter:
Load Model 71 – Modelo representativo do carregamento de comboios convencionais; Load Model SW/0 – Modelo representativo do carregamento de comboios convencionais em pontes/viadutos com continuidade;
Load Model SW/2 – Modelo representativo do carregamento de comboios pesados; Load Model HSLM – Modelo representativo da passagem de comboios de passageiros a velocidades superiores a 200 km/h (comboios de alta velocidade);
Load Model “unloaded train” – Modelo representativo da passagem de comboios sem carga.
Na EN 1991-2 (2003) e na ficha UIC-774-3-R (2001) é indicado também que o modelo LM71 é o que deve ser utilizado na análise de interação via-estrutura. A configuração do modelo e os valores característicos dos carregamentos estão representados na Figura 2.14.
Figura 2.14 – Modelo de cargas LM71 (EN 1991-2, 2003).
A indicação (1) no modelo LM71 da Figura 2.14 define que a extensão da carga vertical uniformemente distribuída qvk não é limitada.
O eurocódigo indica ainda que os valores característicos do modelo LM71 deverão ser afetados pelos fatores α apresentados no Quadro 2.1, consoante o carregamento do tráfego ferroviário seja superior ou inferior ao representado na Figura 2.14.
Quadro 2.1 – Fatores de correção das cargas verticais (α) (EN 1991-2, 2003).
0,75 0,83 0,91 1,00 1,10 1,21 1,33 1,46
A ficha UIC-774-3-R (2001) recomenda que as cargas devem ser aplicadas na via sobre a ponte/viaduto e, caso o comboio tenha comprimento suficiente, no aterro de um dos lados do tabuleiro (Figura 2.15). A consideração dos aterros carregados em ambos os lados do tabuleiro levaria à sobrestimação dos efeitos (quando um comboio circula sobre a ponte e depois transita para o aterro, a resistência longitudinal no balastro do aterro aumenta quando o tabuleiro já sofreu deformação, não tendo qualquer influência nos efeitos de interação).
Figura 2.15 – Disposição do comboio sobre a estrutura ferroviária.
2.3.3.ARRANQUE E FRENAGEM
O arranque e a frenagem são também ações que derivam da passagem do tráfego ferroviário. Estas induzem forças horizontais nos carris que deverão ser anuladas pela resistência longitudinal da via. A norma europeia EN 1991-2 (2003) e a ficha UIC-774-3-R (2001) indicam que estas ações devem ser distribuídas uniformemente na via ao longo de um determinado comprimento, designado por La,b na
primeira e Lf na segunda, e com determinados valores característicos. No Quadro 2.2 estão organizados
os valores característicos das forças de arranque (Qlak) e frenagem (Qlbk) e correspondentes modelos de
Quadro 2.2 – Valores característicos das forças de arranque e frenagem (EN 1991-2, 2003).
Força de arranque
Qlak = 33 [kN/m] × La,b [m] ≤ 1000 kN
Para os modelos de carga LM71, SW/0, SW/2 e HSLM
Força de frenagem
Qlbk = 20 [kN/m] × La,b [m] ≤ 6000 kN
Para os modelos de carga LM71, SW/0 e HSLM
Qlbk = 35 [kN/m] × La,b [m]
Para o modelo de carga SW/2
No caso do modelo de cargas SW/0 e SW/2, as forças de arranque e frenagem necessitam apenas de ser aplicadas nas zonas em que a estrutura se encontra carregada pelo respetivo modelo (EN 1991-2, 2003). De modo semelhante à ação vertical do comboio, as forças de frenagem e arranque apresentadas no Quadro 2.2 devem ser afetadas pelos fatores α presentes no Quadro 2.1 consoante o carregamento do tráfego ferroviário em causa.
A EN 1991-2 (2003) e a UIC-774-3-R (2001) referem ainda que as forças de arranque e frenagem devem ser combinadas com o correspondente carregamento vertical para posterior análise do efeito combinado. Quando sobre a ponte/viaduto se encontram duas ou mais vias, as forças de frenagem de uma via devem ser adicionadas às forças de arranque da outra (apenas duas vias necessitam de ser consideradas). Por outro lado, quando em duas ou mais vias a passagem do tráfego ferroviário tem o mesmo sentido, devem ser consideradas forças de frenagem ou de arranque em duas vias.