No Capítulo 1 foi apresentado um panorama geral das ferrovias para o transporte de cargas pesadas no Brasil. Verificou-se que o país se encontra praticamente estagnado no desenvolvimento da modalidade, necessitando urgentemente de novas vias férreas e profissionais com entendimento da mecânica do pavimento ferroviário. Entre as variáveis intervenientes do projeto do pavimento ferroviário, destacou-se a relevância desta pesquisa para a estimava de deflexões, importante parâmetro qualitativo que deveria ser verificado em projetos de construção e manutenção da via permanente.
Correlacionando aspectos práticos, o Capítulo 2 apresenta as camadas do pavimento ferroviário lastreado, que segundo entendimento deste autor tem como superestrutura todos os elementos acima do topo da camada de sublastro. Mostra-se a
15 influência da umidade na camada de subleito, a importância da camada de sublastro na transição do lastro para o subleito e a complexidade intrínseca da camada de lastro, que normalmente apresenta quebra dos fragmentos de rocha britada, um dos principais causadores de sua colmatação e deformação permanente.
Ainda no Capítulo 2, são apresentados os 3 principais tipos de dormentes utilizados no Brasil: madeira, concreto e aço, suas vantagens e desvantagens, além de importantes recomendações adquiridas pela experiência do autor, geralmente não encontradas na literatura corrente nacional. É apresentado um breve histórico dos trilhos, as características desejadas, o dimensionamento usual do perfil, além do detalhamento dos principais tipos de sistemas de fixações rígidos e elásticos.
Também no Capítulo 2 são apresentados diversos equipamentos utilizados por outros pesquisadores para se obter parâmetros do pavimento ferroviário de maneira não destrutiva, sejam tensões, módulo de resiliência, deformações ou deflexões. Alguns dos resultados desses pesquisadores foram utilizados na seção 5.2.2 para averiguar a aplicabilidade da equação geral formulada nesta pesquisa. Propriedades comuns de pavimentos ferroviários nacionais e estrangeiros também foram compilados, servindo de alerta para a diferença existente nos parâmetros geotécnicos dos solos tropicais brasileiros, principalmente o módulo de resiliência, em relação a solos estrangeiros.
No Capítulo 3 o comportamento do pavimento ferroviário é apresentado em detalhes. É demonstrado como o carregamento oriundo das rodas dos veículos ferroviários se distribuem nas camadas inferiores, desde o contato roda-trilho até o subleito. São apresentados modelos clássicos para a estimativa de momentos nos trilhos e dormentes, distribuição de tensões no lastro, deslocamentos e deformações nas camadas, conceitos base para a modelagem da via permanente.
No Capítulo 4 é apresentado rapidamente os principais softwares conhecidos no Brasil para a análise mecanística do pavimento ferroviário.
O Capítulo 5 apresenta as análises procedidas na presente pesquisa. Comprova-se que a máxima tensão de flexão nos trilhos ocorre quando a carga de roda está localizada na posição central entre os dormentes. Já a condição mais desfavorável para as demais camadas do pavimento ferroviário, portanto de maior deflexão, ocorre quando a carga está localizada no eixo que passa sobre o centro do dormente e para este caso a força normal atuante sob cada trilho pode ser considerada como aproximadamente 50 % do carregamento da roda para um espaçamento entre dormentes de 60 cm.
16 No Capítulo 5 ainda são debatidos os resultados das simulações realizadas, analisando-se separadamente por variável parametrizada as deflexões e os módulos de vias encontrados e o impacto que cada parâmetro tem no comportamento global da estrutura do pavimento ferroviário. Compara-se também deflexões estimadas pela equação desenvolvida com deflexões encontradas em campo por diferentes autores em diferentes estados brasileiros.
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2 A via permanente ferroviária lastreada
Existem basicamente dois grupos de vias permanentes ferroviárias: as lastreadas ou convencionais (Figura 2.1) e as não lastreadas ou especiais. Dentro do grupo das não lastreadas podem ocorrer pavimentos com camadas asfálticas ou também com uma laje de concreto, conhecida do inglês como slab tracks, ambas com alto custo de construção, porém de manutenção reduzida se comparada com as vias convencionais.
Figura 2.1 – Exemplo de uma via permanente lastreada com dormentes de concreto Conforme ROSE e ANDERSON (2006), EAPA (2014) e RANGEL et al. (2015a), o pavimento ferroviário com uma camada asfáltica apresenta interessante alternativa para aumento da vida útil da estrutura, redução de manutenções e solução para regiões críticas, como passagens em nível, túneis e encabeçamentos de pontes (Figura 2.2). Já nas slab
tracks a laje de concreto se situa no lugar do lastro ou sobre uma camada granular, com
uso convencional no sistema metroviário pela manutenção reduzida (Figura 2.3).
(a) (b)
Figura 2.2 – Exemplos pavimentos ferroviários com camadas asfálticas Fonte: (a) EAPA, 2014; (b) ROSE e ANDERSON, 2006
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(a) (b)
Figura 2.3 – Exemplos de slab tracks
Fonte: (a) Metrô no Rio de Janeiro; (b) <http://www.railengineer.uk>, acesso em 26/04/2016
A revista BITUME (2014) apresenta a linha de testes do TGV (trem de alta velocidade francês) com uma camada de sublastro asfáltico (SCA), construída na França em 2003. Até então a linha padrão do TGV era composta por 30 cm de lastro, sobre 20 cm de sublastro granular (SG) e 50 cm de calcário granular. Em uma via com SCA de 3 km, foi retirada a camada com 50 cm de calcário granular, substituída por uma camada com 14 cm de SCA sobre os 20 cm de SG, gerando uma economia de aproximadamente 5000 m³ de material por km de via. No topo da camada de SG foi aplicado um revestimento superficial betuminoso, a uma taxa de 1,5 kg/m² com agregado fino. A camada de SCA tinha 10,7 m de largura e sobre ela também foi aplicado um revestimento superficial a uma taxa de 0,8 kg/m². Após a construção, a linha ficou em testes durante 4 anos com sensores de temperatura, aceleração, pressão, deformação e deslocamentos, sendo aberta ao público em junho de 2007. Atualmente todas as linhas do TGV são construídas com a metodologia apresentada na Figura 2.4.
Figura 2.4 – Pavimento típico do TGV antes e depois da inserção do SCA Fonte: BITUME, 2014
A via permanente lastreada, a partir de agora denominada apenas de via permanente ou pavimento ferroviário, é tradicionalmente dividida em superestrutura e
19 infraestrutura, sendo de baixo para cima composta do subleito (subgrade), sublastro (subballast), lastro (ballast), dormentes (sleepers), sistema de fixação (fastening system) e trilhos (rails). Algumas ferrovias não utilizam o sublastro e o lastro é lançado diretamente sobre a camada final de terraplanagem, que geralmente tem tratamento especial nos últimos 60 cm, três camadas de 20 cm, onde é aplicada maior energia de compactação.
A interação entre as camadas do pavimento ferroviário pode ser exemplificada conforme a Figura 2.5. Iniciando-se pelo ponto de contato entre a roda e o trilho, as tensões são distribuídas do trilho para o dormente, passando pelo conjunto de fixação. Em geral, quanto maior a rigidez do trilho, melhor a distribuição das tensões para os dormentes. Do dormente, as tensões são distribuídas ao lastro, que por sua vez as distribui ao sublastro e na sequência para o subleito. As camadas geotécnicas iniciam-se no topo do lastro até o subleito e as tensões aplicadas pela base dos dormentes devem ser reduzidas a valores inferiores àquelas suportadas por cada camada.
Figura 2.5 – Distribuição típica de tensões entre as camadas do pavimento ferroviário Fonte: adaptado de SELIG e WATERS, 1994
No contato roda-trilho são variáveis principais: o diâmetro da roda, o carregamento dinâmico, o perfil de trilho e propriedades intrínsecas dos aços empregados, tanto da roda como do trilho (o assunto é complexo e não será apresentado nesta tese, recomendando-se a leitura da tese de GUIMARÃES, 1999).
Tensão no sublastro
Tensão no subleito Tensão no topo do
lastro
Apoio do trilho no dispositivo de apoio, podendo haver o levante da grade
Deflexão do trilho Contato
20 As maiores tensões normais ficam situadas no sistema trilhos, fixações e dormentes, denominada grade ferroviária, que em alguns casos pode sofrer um levantamento vertical em segmentos adjacentes ao ponto de aplicação de carga, fenômeno conhecido como “sub pressão” e que não deve ser confundido com o espaço vazio geralmente existente entre a base do dormente e o topo do lastro (gap), que será debatido mais à frente. Já na distribuição de tensões entre o trilho e o dormente, tem-se forte influência do conjunto de fixação.
Segundo SHENTON (1984)6 apud CORREIA (2007), existem três fatores principais que contribuem para a deterioração da via permanente: o ciclo de carga, o desgate nos trilhos e a degradação do lastro. Quanto maior o carregamento ou a frequência de carga, maiores as tensões nas camadas inferiores. Quanto mais rígido o trilho, menor o deslocamento vertical, dada a melhor distribuição das tensões entre os dormentes. Já o lastro apresenta quebra acentuada dos fragmentos com o tempo, aumentando a rigidez da camada (MR) com a colmatação dos espaços vazios quando a camada está seca e reduzindo consideravelmente a rigidez quando a camada está saturada. O espaçamento entre dormentes também influencia a tensão exercida no dormente e no trilho, que por sua vez influencia a tensão atuante no lastro.
Conforme INDRARATNA et al. (2011), as principais vantagens do pavimento ferroviário lastreado são:
a) simplicidade de construção e cálculo, quando utilizadas teorias convencionais; b) baixo custo de construção em relação às vias especiais;
c) boa drenagem para condições favoráveis de manutenção. E as principais desvantagens são:
a) necessidade de inspeções e manutenções constantes em virtude da degradação do lastro, com interrupções do tráfego;
b) má drenagem para condições desfavoráveis de manutenção, principalmente com a degradação do lastro.