Conclusões

A presente dissertação tem como objetivo principal o estudo das variações longitudinais de rigidez na via-férrea, com especial interesse na transição entre duas tipologias ferroviárias distintas, a balastrada e a não balastrada. Para além deste estudo é também propósito deste trabalho analisar a situação existente no troço experimental Chauconin na linha LGV-EST e apresentar recomendações com vista a melhorar a performance estrutural deste mesmo troço.

As contribuições feitas por esta dissertação estão divididas em três partes distintas:

1. Desenvolvimento de várias ferramentas numéricas representativas da via-férrea. Estas ferramentas têm complexidade crescente e foram calibradas e validadas com recurso a formulações teóricas e resultados experimentais. O propósito destes modelos numéricos é o auxílio no estudo e otimização da transição de via balastrada para não balastrada existente no caso de estudo.

2. Análise da influência da variação de alguns parâmetros de interesse na resposta da via, focando a zona adjacente à transição. Este estudo é uma peça vital para aumentar a informação sobre o comportamento estrutural deste tipo de transições e serve como meio para otimizar as soluções alternativas a apresentar para o caso de estudo.

3. Elaboração e modelação de soluções alternativas à existente no troço e consequente análise dos efeitos causadas pela implementação dessas mesmas alterações na tipologia da transição. Sugestão de recomendações a adotar para atenuar e resolver o problema existente.

A primeira fase contempla a elaboração dos modelos numéricos do sistema carril-palmilhas, do sistema via-solo e das tipologias ferroviárias presentes no caso de estudo (VB, VLB e transição VB/VLB).

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Com o desenvolvimento de um modelo simples constituído apenas pelo carril e palmilhas e só posteriormente a implementação numérica do elemento travessa e sistema multicamada foi possível obter uma confiança superior na modelação final, dado que passo a passo, o modelo foi sendo validado, ora com formulações teóricas, ora com recurso a bibliografia.

Para além dos modelos numéricos da via-férrea foi necessário criar parametricamente modelos de veículo. Na modelação do sistema de cargas móveis foi necessário criar a interação com os modelos de via na simulação dinâmica. Para tal foram desenvolvidas funções de carga, que simulavam a circulação do veículo e consequentemente estabelecidas as funções de forma que permitiam definir as forças nodais a exercer na via, em cada iteração da simulação dinâmica.

Relativamente aos modelos representativos das tipologias de via presentes no caso de estudo, estes obtiveram correlações bastante aceitáveis com os resultados experimentais existentes, exceto no parâmetro relativo ao valor pico de aceleração vertical verificado na travessa. As ligeiras diferenças obtidas podem ser explicadas com as hipóteses simplificativas utilizadas na modelação.

 A não contabilização de defeitos de via e heterogeneidade do carril. Esta simplificação reduz as solicitações dinâmicas obtidas e resultaria num incremento dos picos máximos registados.

 A não contabilização do facto do troço estar implementado em curva. Apesar do tratamento estatístico que os dados experimentais sofreram de forma a mitigar a variância existente entre resultados, este aspeto pode ser responsável por alguma discrepância de valores.

 Por último existe alguma incerteza relativamente aos valores fornecidos para as propriedades mecânicas de alguns elementos constituintes da via-férrea, nomeadamente o balastro, o sub-balastro e o solo de fundação. Este facto pode ser o grande responsável pela variância existente entre os resultados numéricos e experimentais, especialmente no caso VB, dado que a diferença de rigidez vertical de via entre os resultados numéricos e experimentais é mais acentuada.

No que diz respeito à rigidez vertical da via é relevante apresentar as conclusões obtidas. A via balastrada apresenta-se muito rígida e como resultado as solicitações dinâmicas na via serão de magnitude superior e como consequência ocorrerá uma deterioração mais acelerada da qualidade geométrica da via. Contrapondo este aspeto a via em laje de betão apresenta uma rigidez muito baixa, na ordem dos 65 kN/mm, resultado da presença do elemento elastómero sobre a travessa. O facto da via ser tão flexível exige uma maior necessidade de energia por parte do veículo para circular, além de criar um salto muito elevado de rigidez para a transição entre tipologias.

A segunda fase aborda o estudo paramétrico da influência de alguns aspetos no comportamento estrutural da via-férrea.

Com a verificação de que a transição de um meio mais flexível (VLB) para outro mais rígido (VB) era mais penalizadora na amplificação das solicitações dinâmicas exercidas pelo veículo,

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todo o estudo foi realizado nessa mesma transição (VLB/VB). Os parâmetros de resposta de via sujeitos a análise na zona envolvente à transição foram: a força de interação roda-carril e as acelerações verticais, na travessa, camada de balastro (VB) e laje de betão (VLB). Do estudo desenvolvido foi possível retirar as seguintes conclusões.

 O incremento da velocidade de circulação do veículo resulta numa maior variação das forças de interação e das acelerações verticais após a transição de tipologia. Para além do incremento das sobrecargas, estas são também relevantes ao longo de uma maior extensão de via.

 A alteração do módulo de elasticidade do balastro e do solo de fundação tem pouca influência na interação do veículo com a via mas mostra-se relevante no desempenho estrutural da via. Com a aplicação de um solo mais brando, ou de um balastro mais flexível, as acelerações verticais sofrem aumentos quer nas travessas, quer nas camadas em análise. É ainda importante referir que os aumentos das acelerações nas travessas são muito mais relevantes na VB que na VLB, este facto é devido à grande capacidade de isolamento do elemento elástico presente sob a travessa na VLB.

 A carga por eixo tem um papel preponderante no comportamento da zona de transição. O incremento de carga implica um aumento de sobrecargas dinâmicas muito para além do incremento estático exercido. A imposição de um aumento da massa não suspensa do veículo resulta em sobrecargas de magnitude superior a um incremento análogo da massa suspensa, pois a frequência oscilante do sistema roda-carril é substancialmente superior à frequência própria de oscilação das massas suspensas.

 A modificação da rigidez da palmilha de travessa revelou-se o aspeto de maior relevância no comportamento estrutural da VLB e da própria transição. O aumento da rigidez do elastómero conduziu a uma redução drástica da variação das forças de interação e das acelerações sofridas pelo carril e travessa na tipologia em laje. Com o aumento da rigidez da USP, a via em laje tornou-se mais rígida reduzindo a variação de rigidez na transição entre tipologias.

A última fase da dissertação contempla a apresentação e análise de soluções alternativas à existente. As soluções concebidas basearam-se na supressão da palmilha de travessa, ou na criação de um troço intermédio entre as tipologias. De todas as soluções apresentadas houve quatro que conduziram a resultados muito interessantes. Da análise e comparação desses mesmos resultados foi possível retirar algumas elações que possibilitaram apresentar uma recomendação informada para o caso de estudo.

 A eliminação ou redução da variação de rigidez entre as duas tipologias apenas através do acréscimo de rigidez da VLB com a supressão da USP garante excelentes resultados nos parâmetros em análise mas possui uma grande desvantagem. O modelo numérico desenvolvido não tem em conta as irregularidades e heterogeneidades presentes no sistema carril-roda, como tal não permite avaliar corretamente o desempenho da via em zona corrente, onde o acréscimo de rigidez de via impõe maiores solicitações dinâmicas aquando da presença dessas mesmas irregularidades. Em suma recorrendo a este tipo de solução o problema na transição é resolvido apenas para agravar o mesmo problema na zona corrente de via em laje.

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 A criação de um troço intermédio permitiu ter uma variação gradual de rigidez, que com uma extensão considerável e patamares de rigidez intermédios bem definidos conduziu a uma melhoria muito interessante do comportamento da transição. Contudo o troço intermédio, por si só, não consegue reduzir os valores excessivos de acelerações verticais no carril e travessa na VLB, dado que não altera o elemento causador deste problema, a USP.

 Para poder melhorar o comportamento geral da via do troço experimental foi necessário desenvolver uma solução conjunta. Ela é composta por um troço intermédio e pela alteração da rigidez da palmilha de travessa. Com esta solução foi possível garantir um bom comportamento estrutural da transição e redução das sobrecargas dinâmicas experienciadas nos elementos adjacentes à mesma, ao mesmo tempo que se melhorou o desempenho da VLB com a redução da flexibilidade da via para valores de rigidez dentro da gama ótima para vias férreas de alta velocidade.