Para a determinação do módulo de elasticidade e da constante de mola elástica de um determinado solo realiza-se a prova de carga sobre placa. A ASTM D 1196 (1993) determina quais são os procedimentos a serem seguidos para a realização da prova de carga sobre placa com o objetivo de determinação destas constantes.
O ensaio de módulo de elasticidade do solo foi realizado com o intuito de se conhecer melhor a base na qual serão apoiados os dormentes e para determinação da constante de mola que foi utilizada no modelamento numérico com o ANSYS 9.0. Este ensaio é de fundamental importância, principalmente pelo fato destes parâmetros variarem muito e dependerem de vários fatores como: região onde está sendo realizado; o estado de conservação e manutenção da via permanente; espessura das camadas que se situam abaixo dos dormentes; material do lastro e sublastro; condições atmosféricas; etc.
Para o ensaio foi montada a estrutura ilustrada na FIG.7.14, utilizando o sistema de extensômetria descrito no item 6.3.
Como já abordado no item 6.3, foram utilizados três tradutores de deslocamento instalados a 120º uns dos outros e três relógios comparadores digitais. Os relógios
comparadores foram utilizados devido a sua alta precisão para a determinação da taxa de deslocamento de 0,03 mm/min utilizada como referência para o incremento de carga.
FIGURA 7. 14 – Estrutura do ensaio de determinação do módulo de elasticidade e constante de mola do solo.
O incremento de carga foi determinado supondo-se um carregamento de 180 kN, aplicando-se assim, 6 incrementos de 30 kN para atender ao mínimo exigido pela ASTM D 1196 (1993).
Para este ensaio, foi utilizada um freqüência de amostragem de 2 Hz, isto quer dizer que, a cada segundo, eram lidos dois pontos de carga aplicada pela célula de carga de 500 kN e dois pontos de deslocamentos para cada DT.
Com todo o sistema calibrado, deu-se inicio ao ensaio com base nas instruções da ASTM D 1196 (1993).
Aplicou-se inicialmente uma carga que produziu um deslocamento entre 0,25 mm e 0,51 mm medidos através dos relógios comparadores, carga esta com um valor igual a 10,64 kN. Manteve-se esta carga até que a taxa de deslocamento atingi-se 0,03 mm/min por três minutos consecutivos. A partir deste ponto, iniciaram-se os incrementos de carga de 30 kN onde cada ciclo era executado levando-se em consideração a taxa de deslocamento por minuto necessária para o novo incremento.
O ensaio foi finalizado quando atingiu a carga de 16,19 kN, totalizando 5 ciclos. O ensaio foi interrompido devido a uma maior preocupação com a estrutura da caixa de madeira pois a carga aplicada era do tipo pontual e estava sobrecarregando a caixa neste ponto.
Com os dados obtidos no ensaio, foi plotado inicialmente o GRÁF.7.4 correlacionando a carga aplicada ao tempo de ensaio. Porém, para a determinação do módulo de elasticidade e da constante de mola são necessários apenas os valores correspondentes: ao ponto inicial de aplicação da carga (igual a zero), aos pontos iniciais de incremento de carga e ao ponto final do ensaio. Assim, o GRÁF.7.4 passou a ter a forma do GRÁF.7.5. 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 0,00 1.000,00 2.000,00 3.000,00 4.000,00 5.000,00 6.000,00 Tempo (s) C ar g a (k N )
GRÁFICO 7. 4 – Tempo x carga.
Para a determinação do módulo de elasticidade e da constante de mola, foi plotado o GRÁF.7.6 de carga versus deslocamentos para os três DT’s e a média.
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 0,00 1.000,00 2.000,00 3.000,00 4.000,00 5.000,00 6.000,00 Tempo (s) C ar g a (k N )
GRÁFICO 7. 5 – Tempo x Carga – Filtrado.
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 Deslocamento (mm) C ar g a (k N ) DT3 DT5 DT6 MÉDIA DT'S
GRÁFICO 7. 6 – Carga x deslocamento.
Utilizando a média dos deslocamentos, foram calculados os módulos de elasticidade e as constantes de mola para cada ciclo de carregamento com base na Eq.(7.1) proposta
por WILLE GEOTECHNIK (2003) e na Eq.(7.2) segundo SELIG e WATERS16 apud SPADA (2003). D . s p Md ∆ ∆ = (7.1) Onde: d
M : módulo de deformação (Módulo de Elasticidade), em Newton por milímetro quadrado;
p
∆ : acréscimo de pressão aplicada no prato, em Newton por milímetro quadrado;
s
∆ : acréscimo de deslocamento da superfície quando a carga foi aplicada, em milímetros;
D = Diâmetro do prato, em milímetros.
0 1 0 1 Y Y P P K − − = (7.2) Onde:
K : rigidez da via ou Constante de mola, em quilo Newton por centímetro; P1 : carga final aplicada, em quilo Newton;
P0 : carga inicial aplicada, em quilo Newton;
Y1 : deslocamento devido à carga final aplicada, em centímetros;
Y0 : deslocamento devido à carga inicial aplicada, em centímetros;
Os valores obtidos estão contidos na TAB.7.10.
Percebeu-se que a partir do terceiro ciclo os deslocamentos aumentaram consideravelmente para um mesmo incremento de carga indicando talvez uma possível plastificação do sistema. Isto pode ser percebido através da redução dos módulos de
16 SELIG, E.T. e WATERS, J.M. (1994), “Track Geotechnology and Substructure Management”. Thomas Telford Services. London.
elasticidade e das constantes de mola ocorrida entre os ciclos 3 e 4. Se levarmos em consideração que o sistema plastificou após o terceiro ciclo, obtemos um E = 96,55 MPa e K = 227,50kN/cm.
TABELA 7. 10 – Módulo de elasticidade e constante de mola para cada ciclo de carregamento. CC-500 KN MÉDIA DT'S E K CICLOS N mm MPa N/mm - 0,00 0,00 - - Ciclo 1 10.261,85 0,62 69,76 16.437,88 Ciclo 2 31.167,52 0,96 137,32 32.354,13 Ciclo 3 30.787,43 1,58 82,58 19.458,17 Ciclo 4 35.348,50 10,12 14,82 3.491,91 Ciclo 5 23.185,60 20,93 4,70 1.107,78 Ciclo 6 31.167,50 16,94 7,81 1.839,74
Comparando estes valores com os valores contidos na TAB.7.11, com exceção dos valores citados por LUBER (1962), BIRMAN (1968) e ALIAS (1971) apud PORTO (1984) (valores estes sem grande precisão, de acordo com o próprio autor), obtemos valores de módulos de elasticidade superiores que o citado por MELENTIEV apud PORTO (1984) e constante de mola similar à utilizada por BALLARIN (1999), tanto para o rompimento após o terceiro ciclo quanto para o quarto.
TABELA 7. 11 – Valores de Módulo de Elasticidade e de constantes de mola.
Pesquisadores E (MPa) K (kgf/cm)
BALARIN (1999) - 17.500 a 20.000*
LUBER (1962) apud PORTO (1984) - 50.000 - 300.000** BIRMAN (1968) apud PORTO (1984) - 80.000 – 160.000**
ALIAS (1971) apud PORTO (1984) - 80.000 – 100.000*
MELENTIEV (1973) apud PORTO (1984) 33,3 – 50* -
Obs: Valores referentes apenas : *ao lastro; ** lastro e plataforma. Fonte: Valores obtidos dos materiais publicados pelos pesquisadores.
Outro valor de K pode ser obtido pela Eq.(3.16) onde podemos considerar D igual a K. Deve-se considerar para este cálculo: c = 75 cm, b = 22 cm, e os três valores de C contidos na TAB.3.20. Realizando o cálculo para os três C (0,02, 0,05 e 0,1 kN/cm3) e transformando em quilograma força por centímetros obteve-se respectivamente os seguintes valores de K: 29,70 kN/cm, 74,25 kN/cm e 148,50 kN/cm. Para os três valores
obtidos, podemos tomar como base o valor de K para uma linha de coeficiente igual a 0,10 (de infra-estrutura muito boa), devido a estruturação do sistema de ensaio atender adequadamente a este tipo de via.
Com os resultados obtidos, decidiu-se utilizar os valores obtidos até o terceiro ciclo, pois estes se apresentaram mais coerentes, mesmo supondo-se que a plastificação do sistema ocorreu durante este ciclo.
8
ENSAIOS DOS DORMENTES SOB CARREGAMENTO
ESTÁTICO E EM CAMPO
Este capítulo apresenta os procedimentos e a análise dos resultados dos ensaios de carregamento estático dos DMLCR e DMLCE e do ensaio em campo do DMLCR5. Os ensaios de carregamento estático dos dormente, foram realizados em uma caixa de madeira, onde foram executados três grupos de ensaios classificados de acordo com o tipo de apoio sobre o qual os dormentes foram assentados. Cada um destes grupos é composto por dois DMLCR e um DMLCE. O ensaio em campo foi realizado na linha da FCA/CVRD no pátio de Betim onde o dormente foi instrumentado com acelerômetros e uma célula de carga confeccionada com rosetas ligadas em ponte completa.