A significância dos defeitos é muito grande, tanto do ponto de vista econômico, quanto para a segurança de circulação, visto que a presença de defeitos nos trilhos faz surgir, ante as cargas de serviço, avarias ou rupturas nos mesmos.
Os defeitos de fadiga por contato de roda (Rail Contact Fatigue - RCF) são um dos grandes fatores que obrigam os departamentos de via permanente a repor os trilhos nas seções de intenso uso. Este tipo de defeito é mais preocupante em ferrovias tipo heavy haul, de tráfego de cargas pesadas. A incidência de tais defeitos também se encontra nas ferrovias com cargas reduzidas por eixo, mas com uma alta densidade de tráfico de alta velocidade. Estes defeitos são geralmente difíceis de serem percebidos em seu desenvolvimento e têm grande impacto econômico para as ferrovias.
Até recentemente, a fadiga de superfície do trilho não foi considerada como um sério problema em linhas convencionais européias (44). Na Europa a maioria das linhas ferroviárias tem tráfego misto, com trens de passageiros, de alta velocidade e trens de carga de, no máximo, 22,5 toneladas por eixo. Não há, com poucas exceções, ferrovias do tipo heavy haul. A maior preocupação nestas linhas era com a vibração e os níveis de ruído. Hoje, entretanto, defeitos do tipo de fadiga por contato de roda recebem uma maior atenção, pois estão sendo detectados freqüentemente em linhas de alta velocidade como conseqüência das tensões internas decorrentes do contato roda-trilho.
Segundo Hiensch e Watson (45), em 1999, o custo total anual do problema de fadiga por contato de roda foi estimado pelo European Rail Research Institute (ERRI) em 300 milhões de euros. Nos últimos anos, entretanto, os custos com este problema tiveram aumento significativo. Cerca de 20.000 seções de trilho foram removidas em toda Europa para prevenir falhas de fadiga, sendo que 30% delas evidenciaram o problema.
Para Grassie (46), os defeitos de fadiga por contato de rolagem incluem quatro tipos: squats, head checks, tache ovales e shells.
Os defeitos dos tipos squats e head checks têm início na superfície do trilho, enquanto que os dos tipos tache ovales e shells se iniciam na subsuperfície (17). Para reduzir a prevalência de shells e tache ovales têm sido desenvolvidos aços e técnicas de soldagem. Para mitigar os problemas de squats e head checking o esmerilamento é a principal medida (45).
A indústria do aço, segundo Korpanec e Towpic (47), tem desenvolvido métodos para melhorar a pureza dos aços para trilho, usando alumínio como desoxidante e eliminando gases por vácuo. Também têm-se desenvolvido técnicas de endurecimento do boleto, procurando minimizar os problemas que causam os defeitos de contato de rodagem.
O tratamento principal para os RCF tem sido regularmente o esmerilamento do trilho. A base deste tratamento é que o esmerilamento pode ser usado seletivamente, objetivando aumentar artificialmente a taxa de desgaste. O esmerilamento é usado para remover fraturas de superfície quando elas têm fração de 1 mm de profundidade, antes que se propaguem pelo trilho. Este processo se torna uma ferramenta de manutenção preventiva do trilho e não somente um meio de correção para os danos constatados (48).
Conforme Cannon e Pradier (17), o European Rail Research Institute (ERRI) reconheceu a deficiência na compreensão de soluções nos mecanismos que geram fadiga por contato de rodagem, e somente a partir de 1987 passou a desenvolver programas específicos para o entendimento destas questões.
Na Holanda, a extensão dos defeitos tipo RCF é monitorada através de um programa denominado ProRail. Este programa busca combater os defeitos através do desenvolvimento de novos tipos de trilhos e perfis de rodas (49). As inspeções determinam a quantidade, localização precisa e gravidade dos head checks e squats, quantificando a extensão da via afetada por estes defeitos ou o momento de troca. Estima-se que, com uma política de prevenção, utilizando trilhos especiais, reperfilamento do trilho e ciclos adequados de esmerilamento pode-se reduzir em até 60% os custos associados a estes defeitos.
Defeitos do tipo squats causam fraturas transversais no trilho (figuras 3.1 e 3.2) e ocorrem no boleto do trilho, em linhas de alta velocidade (17). Tais defeitos são classificados em leve, moderado e pesado, conforme a ocorrência de fraturas (figura 3.3). Em abril de 2003 foram levantados dados que mostraram que numa rede holandesa de 6.690 km de via, 1.072,6 km apresentaram esses diferentes tipos de defeitos, sendo 74,8 km na forma pesado (49).
Figura 3.1 – Squats – Fonte: (50)
Figura 3.2 - Squats – Fonte: (49)
Figura 3.3 – Squats leve (acima), moderado (centro), pesado (abaixo) – Fonte: (49)
Conforme Grassie (48), foi relatado em 1992 pela Société Nationale de Chemir de Fer (SNCF) que 20% das rupturas do trilho ocorreram por squats. Problemas semelhantes foram responsáveis pela razão principal na remoção prematura de trilhos em linhas japonesas. No início de 1982, também por defeitos de fadiga iniciados na superfície, foram creditados 12% nos custos de recolocação do trilho nas estradas do Canadá (Canadian Pacific Railways - CPR), apesar das medidas tomadas pela CPR para tratar essa questão.
Os head checks (figuras 3.4 e 3.5) são um defeito de trilho que consistem no trincamento do boleto em um ângulo de 45° com o eixo do perfil metálico, de acordo com definição de Branco (51). Ocorrem principalmente no canto da bitola nos trilhos externos em curvas de
grandes raios, mas também ocorrem na fila interna dos trilhos e em tangentes. As trincas eventualmente podem se juntar, gerando a perda de material conhecida como floculação (47).
Figura 3.4 – Head checks – Fonte: (50) Figura 3.5 – Head checks – Fonte: (52)
Na floculação, lamelas de metal se soltam da superfície de rolamento (figura 3.6), sendo que a profundidade do defeito pode atingir vários milímetros, causando uma gradual depressão nessa superfície (53).
Figura 3.6 – Floculação – Fonte: (44)
Os defeitos tipo head checks são classificados, conforme a gravidade, em leve, moderado, pesado ou severo (figura 3.7).
Dados produzidos em abril de 2003 revelaram a escala do problema na Holanda. Segundo Smulders (49), numa rede com 6.690 km de via desse país, 399,6 km apresentavam head checks, sendo que 25 km apresentavam o defeito do tipo severo.
Figura 3.7 – Head checks leve (a), moderado (b), pesado (c) e severo (d) – Fonte: (49)
Os defeitos do tipo tache ovales (figuras 3.8, 3.9 e 3.12), para Grassie (46), estão associados com um deficiente processo de soldagem. Desenvolvem, por isso, cavidades de 10 a 15 mm longitudinais no boleto do trilho, causadas pela presença de hidrogênio, onde se evidenciam defeitos chamados shatter cracks, podendo ainda ocorrer em outras partes do trilho.
Os defeitos chamados shatter cracks, segundo Branco (51), são aqueles caracterizados pela aparição de inúmeras trincas após exposição a intenso calor, seja durante processo de corte ou de patinação das rodas do veículo.
Figura 3.8 – Tache ovales – Fonte: (50) Figura 3.9 – Tache ovales – Fonte: (38)
Os shells (lascamentos) são defeitos no trilho causados pelo tráfego, caracterizam-se pela escamação ou descascamento do boleto (figuras 3.10 e 3.12), ou do canto da bitola (figura 3.11) (51). Podem se dar combinados a um ligeiro esmagamento do boleto na região da ponta do trilho, acompanhados de saliências de pequena dimensão correspondentes à expulsão do metal.
Figura 3.10 – Shells no boleto – Fonte: (38)
Figura 3.11 – Shells no canto da bitola – Fonte: (38)
Figura 3.12 – Shells e tache ovales – Fonte: (46)
Outros defeitos originados em serviço são deformações nas pontas, desgastes por ação química e autotêmpera superficial, definidos por Brina (2).
Essas deformações nas pontas do trilho ocorrem devido aos choques e flexões nas juntas, quando os dormentes estão desnivelados. Podem ocorrer fadiga do metal e fraturas, caso a manutenção não seja feita para nivelar os dormentes.
O aço da alma e do patim do trilho pode sofrer desgaste por ação química quando numa via são transportadas mercadorias que favoreçam esta condição, tais como enxofre, sal, salitre, entre outros.
A autotêmpera superficial é um fenômeno que produz pequenas fissuras superficiais no trilho, as quais podem se propagar pelo seu interior. É provocada pela patinação das rodas das locomotivas que aquecem a camada superficial do metal e esta, ao se esfriar rapidamente em contato com o ar, cria uma têmpera superficial.
A NBR 7640 (54) define os tipos de defeitos de trilho que podem ocorrer na via férrea.
O trilho ainda pode apresentar outros defeitos decorrentes do seu processo de fabricação, os quais não serão aqui abordados por extrapolarem o escopo deste estudo, nada impedindo que o tema seja objeto de futuras pesquisas.