Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
SONIA JANNETH ROSERO MUÑOZ
PROJETO GEOMÉTRICO FERROVIARIO COM
AUXÍLIO DO SOFTWARE POWER RAIL TRACK
Campinas - SP
2016
SONIA JANNETH ROSERO MUÑOZ
PROJETO GEOMÉTRICO FERROVIARIO COM AUXÍLIO
DO SOFTWARE POWER RAIL TRACK
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Mestra em Engenharia Civil, na área de Transportes.
Orientador: Prof. Dr. Diógenes Cortijo Costa.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA SONIA JANNETH ROSERO MUÑOZ E ORIENTADA PELO PROF. DR. DIOGNES CORTIJO COSTA.
Campinas – SP
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E
URBANISMO
PROJETO GEOMÉTRICO FERROVIARIO COM AUXÍLIO DO SOFTWARE
POWER RAIL TRACK.
Sonia Janneth Rosero Muñoz
Dissertação de Mestrado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Prof. Dr. Diógenes Cortijo Costa.
Presidente e Orientador/Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Prof. Dr. Cassio Eduardo Lima de Paiva Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Prof. Dr. Ana Paula Camargo Larocca
Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP)
A Ata de Defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica da aluna.
DEDICATÓRIA
A Deus, aos meus queridos pais Rosa e Leonel, minha irmã Claudia e meu cunhado Yefre, as minhas amadas sobrinhas,Daniela e Laura. Vocês são minha família, minha inspiração, minha foraleza e motor de meus sonhos.
Obrigada por acreditar em mim dando-me sua força até o último momento.
“Quando alguém encontra seu caminho precisa ter coragem suficiente para dar passos errados. As decepções, as derrotas, o desânimo são feramentas que Deus utiliza para mostrar a estrada. Aceite com sabiduria o fato de que o caminho esta cheio de contradições, há momentos de alegria e desespero, confiança e falta de fé, mas vale a pena seguir adiante, o mundo está nas mãos daqueles que têm a coragem de sonhar e correr o risco de viver seus sonhos, não deixe ninguém lhe convencer que você não merece o que deseja. Imagine uma nova história para sua vida e acredite nela, lembre que o esforço é saudável e indispensável, mas sem resultados não significa nada”.
AGRADECIMENTOS
Existem pessoas que foram aparecendo no percurso do meu caminho, anjos, um atrás de outro, que ajudaram no meu crescimento pessoal, profissional e espiritual. Pessoas que me ensinaram que nada na vida é por acaso, que chegaram no momento preciso para me apoiar e me lembrar que tudo requer sacrifício, que é necessário crer em mim, lutar e continuar mesmo no meio da tormenta, porque quando há esforço, as forças do universo conspiram a nosso favor.
Agradeço a Deus, por este triunfo, por colocar em meu caminho pessoas tão especiais, por ter estado sempre ao meu lado nos momentos mais difíceis, me iluminando com a sabedoria necessária para seguir pelos caminhos corretos.
Obrigada, de coração, aos meus queridos pais, Rosa e Leonel, por me proporcionar a formação integral em engenharia, apoiando-me em todas as minhas decisões, mesmo à distância, batalhando fortemente ao longo da vida para me ensinar a ser uma pessoa de valor, educada, honesta, persistente e trabalhadora. Saibam que eu me tornei o que sou hoje graças a vocês, principalmente por terem sempre me tratado com muito amor.
Agradeço a minha irmã Claudia, a maior benção da minha vida, por acreditar em mim e me acompanhar nos meus acertos e desacertos, sendo sempre um exemplo de fortaleza, tornando-se o motor inesgotável de amor.
As minhas amadas sobrinhas, Daniela e Laura, por serem as luzes da nossa família, pois seus sorrisos iluminam minha vida em todo momento e me estimulam a construir um mundo melhor.
A vida, por abençoar-me com paciência e ensinar-me que o amor verdadeiro nunca cortar as asas da liberdade só aprende a voar junto a quem se ama, obrigada Francisco Alva.
Ao Prof. Dr. Jorge Luiz Alves Trabanco por acreditar em mim e abrir as portas de seu coração para me ajudar a alcançar este sonho desde o primeiro momento, por suas palavras de força e pela amizade incondicional ao longo do tempo, “não foi fácil, mas conseguimos”.
A meu orientador, Prof. Dr. Diógenes Cortijo Costa, pela oportunidade em fazer parte do seu grupo de pesquisa, pela confiança em meu trabalho, pela paciência, pelos conhecimentos transmitidos nas disciplinas cursadas e pelo tempo dedicado à análise da presente dissertação. Fica a minha gratidão pela oportunidade.
Ao Prof. Dr. Professor Cassio Lima de Paiva e a Profa. Dra. Maria Lucia Galves pela contribuição prestada no exame de qualificação e conhecimentos transmitidos durante as disciplinas cursadas no programa de mestrado.
À Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), pela oportunidade de estudar na instituição e aos funcionários da secretaria de pós-graduação, por toda atenção dedicada.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo financiamento e apoio para a realização desta pesquisa.
Ao meu Amigo José Carlos Puttini pela oportunidade na empresa MRU-CONTROL representante da Bentley no Brasil e pelas experiências e conhecimentos transmitidos na área ferroviária, a sua esposa Cristina Leyraud pelo carinho e amizade.
A todos os colaboradores da empresa BENTLEY SYSTEM, que forneceram o suporte técnico para o estudo do software.
A empresa IplanRio e a Prefeitura da cidade de Rio de Janeiro, pelos dados fornecidos para o desenvolvimento da presente pesquisa.
As minhas amigas e família em campinas Mhileizer Toledo e Claudia Perez, por sua força e por sempre conseguir meu melhor sorriso sem importar o momento, por estar a meu lado nos momentos difíceis e também nas vitorias, obrigada pela amizade e por me acolher no seu coração.
As pessoas que desde o início foram parte deste sonho, e que colaboraram neste longo processo, Ivan Recalde, Yaliana Tafur, Carolina Tamayo, Maria Salla, Helena Solarte, Laura Chicue, Diana Rodriguez, amigos que na distância foram meu apoio Xiomara Gomez, Nancy Rengifo, Jorge Gamboa, Constanza Fuentes, aos meus colegas e família no DGT Maria Teresa Francoso, Sindy Vargas, Plínio Piccin, Juliano Marçal, Eduardo Oliveira, Amaro Calueio, Milena Galzerano, vocês foram e são muito importantes na minha vida, jamais me senti sozinha, graças à companhia de vocês. Obrigada de coração!
RESUMO
No Brasil, o uso de softwares e aplicativos em projetos geométricos ferroviários são minimamente utilizados. Atualmente, após a divisão e privatização da malha ferroviária nacional, as empresas concessionárias que assumiram a administração estão investindo na modernização, recuperação e extensão deste modal de transporte para torná-lo mais eficiente. O Programa de Investimentos em Logística (PIL) gerou um crescimento do setor em resposta ao montante de investimentos, assim como na construção e na melhoria de onze mil quilômetros de vias férreas de bitola larga (1.600mm), visando duas melhorias estratégicas: a primeira, aumentar consideravelmente a capacidade de carga e a segunda, otimizar os traçados geométricos para permitir velocidade média de 80 km/h, bem superior à média atual existente por volta de 60km/h. Baseada nessas informações, o objetivo desta pesquisa é apresentar as aplicações do software Power Rail Track da Bentley Systems, Inc. para futuros projetos geométricos de vias férreas no Brasil. Este software se baseia em algoritmos matemáticos, entre eles o ajuste pelo método de mínimos quadrados para a melhor escolha dos alinhamentos, outra os cálculos de regressão, permitem de forma rápida e eficaz otimizar diferentes parâmetros da geometria da futura ferrovia ou já existente.
São analisadas diferentes variáveis para o traçado geométrico, considerando várias alternativas de alinhamentos e restrições complexas presentes no projeto geométrico, tomando em consideração elementos geométricos como: curvas circulares, espirales, tangentes e rampas.
As ferramentas de regressão do software incluem diagramas de curvatura que permitem identificar pontos e curvas, tangentes e espirais. Os resultados da análise são apresentados rapidamente e os pontos podem ser adicionados ou excluídos da análise de regressão, para melhorar o traçado; o software também permite detalhar os elementos do projeto executivo da linha ferroviária tais como: trilhos, articulações, pontos de mudança, pontos de passagem entre outros. O resultado deste estudo demostrou que a aplicação do programa Power Rail Track gera uma economia significativa de tempo e melhorias na produtividade, reduzindo os custos do projeto geométrico.
ABSTRACT
In Brazil, software and applications in railway geometric designs is rarely used. Currently, after the division and privatization of the national rail network, the concessionaires who assumed the administration, are investing in modernization, recovery and extension of this transport model to make it more efficient. The Investment Program in Logistics (PIL) has generated a growth of the sector in response to the amount of investments, as well as in building and improvement of eleven thousand kilometers of railway large gauge (1,600mm), where it intends two strategic improvements: the first, increase considerably the load capacity and, the second, optimize the geometric design, greatly enhancing the load capacity and optimizing the geometric design, which would allow speeds of 80 km / h. far superior than that current average. Based on this information, the objective of this research is to verify the software applications Power Rail Track of Bentley Systems, Inc. for geometric designs in future deployments of railways in Brazil. This software is based on numerical calculations, including roller adjustment by the least squares method to calculate and choose the best alignments, and regression tools, to a fast and effectively optimize of various parameters of the geometry for a future or existing railway. Different variables that allow you to optimize the geometric design are analyzed, considering several options alignments and complex restrictions present in geometric design, taking into account variables such as circular curves and transition, tangents and rays. The software regression tools include curvature diagrams identifying points and curves, tangent and spirals. The analysis results are presented quickly and points can be added or deleted from the regression analysis, providing improve tracing; the software also allows detail the elements of the executive project of the railway line such as rails, joints, turning points, waypoints and other. The result of this study has shown that the application of the Power Rail Track program generates significant cost savings in time and increases in productivity, providing greater opportunity to optimize the geometry reducing geometric design costs.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 Estrutura do trabalho ... 21
Figura 2 Bitola ferroviária ... 35
Figura 3 Curva de transição ... 37
Figura 4 Diagrama de forças atuantes no veículo ferroviário relevantes para cálculo da superelevação ... 38
Figura 5 Alinhamento vertical ... 42
Figura 6 Concordância vertical ... 42
Figura 7 Ligação do metrô com a estação de Liverpool Street e construção da segunda linha Chelsea-Hackney ... 51
Figura 8 Projeto Hyderabad Metrô Rail ... 52
Figura 9 Projeto de Integração de Leste-Oeste - Mechi Mahakali Railway ... 53
Figura 10 Tela do software Power Rail Track para definição da geometria do projeto ... 55
Figura 11 Veículo ferroviário. Serie 112 FGC ... 59
Figura 12 Captura da tela do PRT correspondente à área de estudo caso ... 61
Figura 13 Triangulação - curvas de nível ... 62
Figura 14 Caixa de diálogo para criar um projeto geométrico ... 63
Figura 15 Alinhamento horizontal pelo método de análises de regressão ... 65
Figura 16 Fluxo de trabalho para criar a superelevação ... 68
Figura 17 Fluxo de trabalho para criar um cambia vias (Turnout) ... 70
Figura 18 Tela do PRT visualizando o alinhamento vertical utilizando analises de regressão multiplex ... 71
Figura 19 Reporte dos dados do alinhamento vertical com o software PRT ... 72
Figura 20. Fluxo de trabalho para desenhar o alinhamento vertical ... 72
Figura 21 Tela do PRT apresentando as seções transversais ... 73
Figura 22 Tela do PRT apresentando as seções transversais com a ferramenta Túnel Design ... 74
Figura 23. Tela do PRT apresentando a Alternativa I ... 76
Figura 24 Tela do PRT apresentando a Alternativa II ... 77
Figura 25 Curvas de concordância e rampas que não atendem os parâmetros - alternativa I ... 81
Figura 26 Curvas de concordância e rampas que não atendem os parâmetros - alternativa II – Tramo A ... 82 Figura 27 Curvas de concordância e rampas que não atendem os parâmetros - alternativa ll – Tramo B ... 83
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Posição mundial referidos ao comprimento total da malha ferroviária ... 32
Tabela 2 Raios mínimos pelas normativas NRV 0200 - NRV 0201/2011 ... 41
Tabela 3 Valores típicos de rampas ferroviários ... 43
Tabela 4 Diretrizes para ser aplicadas na concepção do estudo caso ... 60
Tabela 5 Resultados da Alternativa l... 76
Tabela 6 Resultados da Alternativa ll ... 78
Tabela 7 Composição geométrica da Alternativa I ... 79
Tabela 8 Composição geométrica da Alternativa II ... 80
Tabela 9 Variação dos parâmetros do projeto nas alternativas I e II ... 80
Tabela 10 Raios e rampas críticos na alternativa I ... 81
Tabela 11 Raios e rampas críticos na alternativa II – Tramo A ... 82
Tabela 12 Raios e rampas críticos na alternativa II – Tramo B ... 83
LISTA DE ABREVIATURAS
ADIF Administração de Infraestruturas Ferroviárias
ANTF Associação Nacional de Transportadores Ferroviários AMV Aparelho de Mudança de Via
AREMA American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association Associação Americana da Engenharia Ferroviária e de Manutenção de via BID Banco Interamericano de Desenvolvimento
CAD Desenho assistido por computador CAF Corporação Andina de Fomento COGO Coordinate Geometry Point
CNT Confederação Nacional do Transporte DGN Extensão de Arquivos de Imagem
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte ERA Agência Ferroviária Europeia
ETI Especificações Técnicas de Interoperabilidade GNSS Global Navigation Satellite Systems
IDEM Instituto de Direito e Economia de Moscou IPEA Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada PIL Programa de Investimento em Logística PRT Power Rail Track
SIG Sistemas de Informação Geográfica
UIC Union Internationale des Chemins de Fer - União Internacional de Caminhos de Ferro
XML eXtensible Markup Language - Extensão de Arquivos
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 17 1.1 Considerações iniciales ... 17 1.2 Objetivos ... 22 1.3 Justificativa ... 22 1.4 Metodologia ... 24 1.5 Alcance da pesquisa ... 25 1.6 Limitações da pesquisa ... 26 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 28
2.1 Análise do sistema ferroviário brasileiro ... 28
2.2 Conceitos básicos para o traçado ferroviário ... 32
2.3 Estudos de engenharia para projetos ferroviários no Brasil ... 44
3 APRESENTAÇÃO DA PLATAFORMA BENTLEY RAIL TRACK ... 47
3.1 Funcionalidades do software ... 48
3.2 Experiências Internacionais com o Software Power Rail Track ... 50
4 ESTUDO CASO ... 54
4.1 Instalação do software ... 54
4.2 Estudo caso – Trecho experimental ... 56
4.2.1 Coleta de dados ... 57
4.2.2 Referencias técnicas utilizadas ... 58
4.3 Descrição geral da área do projeto ... 58
4.4 Projeto Geométrico ... 60
4.4.1 Traçado geométrico ... 62
4.4.2 Alinhamento horizontal ... 63
4.4.3 Superelevação ... 66
4.4.5 Alinhamento Vertical ... 70
4.4.6 Seções transversais ... 72
5 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS ... 75
5.1 Apresentação e análises dos resultados ... 75
5.2 Resumo dos resultados das alternativas I e II ... 78
5.3 Contribuição /abrangência da pesquisa e considerações finais ... 86
6 CONCLUSÃO E SUGESTÕES PARA FUTURAS PESQUISAS ... 89
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 92
ANEXOS ... 96
Anexo I - Artigo - Aplications of Power Rail Track ... 97
Program to Tracings of Brazilian Railways. ... 97
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações iniciales
A ferrovia se destaca como um dos principais meios de transporte e locomoção terrestre no mundo. Sua utilização, no transporte de carga como de passageiros, aproveitado como ligação entre cidades, estados, países e continentes, permite a realização de diversas atividades direta e indiretamente relacionadas ao desenvolvimento de uma sociedade, fundamental no crescimento econômico da mesma.
A necessidade do transporte de massa e com rapidez apresenta-se desde o início do século XlX, com o propósito de aprimorar a forma de transportar mercadorias e posteriormente de pessoas, as ferrovias contribuem na solução deste problema. Nos últimos anos o avanço tecnológico permitiu a inovação dos equipamentos e a utilização de novas fontes de energia para o funcionamento das máquinas, mantendo-se a ideia original do deslocamento sobre trilhos fixados em um traçado. Tais avanços apareceram, como consequência da necessidade de locomoção e do aumento da velocidade no deslocamento entre as regiões, bem como a preocupação crescente de melhorar a mobilidade, a segurança e o bem-estar dos usuários (STECH, 2012).
Na atualidade, os avanços tecnológicos dos equipamentos ferroviários, exigem que o traçado geométrico das ferrovias seja de satisfatória qualidade, garantindo agilidade e segurança na realização dos serviços, além da rapidez na locomoção das pessoas e mercadorias. Embora o Brasil seja um dos países com maior desenvolvimento no cenário global nas últimas décadas, vem apresentando sérios problemas de infraestrutura devido a uma distribuição desequilibrada na área de transportes, com alta concentração no modo rodoviário, com aeroportos e rodovias operando acima da capacidade satisfatória, além das limitadas alternativas de transporte (ANTF, 2011).
De acordo com dados da Associação Nacional dos Transportadores Ferroviários (ANTF) é evidente a falta de investimentos neste modal comparada com a crescente demanda; ao mesmo tempo grande parte da malha ferroviária brasileira tornou-se inoperante
ou até mesmo desaparecendo, resultando numa enorme diminuição da mão de obra qualificada e escassa formação acadêmica tanto em planejamento, projeto e execução de infra estrutura, por esse motivo os estudos relacionados com a concepção de projetos ferroviários também foram um dos afetados diretamente (ANTF, 2011).
O projeto geométrico pode ser visto como um componente essencial e importante na concepção e desenvolvimento da malha ferroviária; uma parte estratégica e fundamental são os alinhamentos geométricos (horizontal e vertical), interseções e vários detalhes de desenho como são: curvas circulares e espirais, tangentes e rampas, os elementos básicos que fazem ligação com diferentes sistemas de transporte ou com diferentes barreiras topográficas que aparecem no projeto e que afetam significativamente o custo e segurança do projeto. Embora esses detalhes do projeto variem de acordo com o traçado geométrico, a maioria das questões acima descritas são importantes para melhorar a segurança, conforto, economia até para minimizar os impactos ambientais.
A geometria da via determina os padrões a serem aplicados no traçado dos alinhamentos, raios mínimos de curvas horizontais, inclinações (rampas) máximas e mínimas, assim como as diretrizes que são estabelecidas para o alinhamento; estas especificações afetam diretamente diferentes obras do projeto, a quantidade de terraplenagem, túneis e viadutos sobre a linha e, portanto, influem diretamente no custo do projeto.
As normas para curvas horizontais e verticais nas vias férreas são mais rigorosas em comparação com uma rodovia, e os desafios para otimizar a escolha de um alinhamento ferroviário são, portanto, maiores. Por exemplo, num terreno montanhoso uma rodovia pode simplesmente seguir os contornos do terreno com curvas acentuadas e rampas íngremes adequando-se mais facilmente ao relevo, a fim de minimizar a quantidade de terraplenagem, isto não seria possível em uma ferrovia sem grandes obras de arte, sob risco de resultar em baixa velocidade operacional.
Um projeto geométrico adequado tem um papel fundamental na implantação e gerenciamento das obras bem como depois de implantado facilita a manutenção e operação ferroviária com menos desgastes nos equipamentos, trilhos, veículos, AMV, entre outros.
Atualmente no âmbito do desenvolvimento global dos sistemas ferroviários, as organizações públicas e privadas são confrontadas a adaptar-se de forma rápida às mudanças, sejam estas relacionadas aos avanços tecnológicos dos materiais ferroviários, como aos programas computacionais e softwares que ajudam a melhorar a qualidade do trabalho dos projetistas, oferecendo melhores alternativas, diminuindo o tempo e possibilitando melhores soluções em tempos menores.
O principal problema na elaboração do projeto geométrico ferroviário é selecionar o melhor traçado com base no relevo, condições do solo (geologia e geotécnia), fatores socioeconômicos, e impactos ambientais, como a poluição atmosférica e sonora, bem como o nível de serviço esperado em relação ao custo de transporte de passageiros ou cargas, entre outros.
O traçado pode ser afetado por várias condicionantes na sua concepção apresentando alta complexidade, que pode tornar o projeto geométrico ferroviário num processo moroso. Neste processo, os projetistas têm que enfrentar uma grande variedade de fatores e surgem várias alternativas possíveis.
Na ligação entre origem e destino são traçadas inúmeras linhas de ensaio de tal forma que a faixa de estudo e ampla variando 3,0km a 10,0 km, utilizando-se uma carta em escala reduzida 1:10000 ou mesmo 1:20000 para o traçado das mesmas, escolhendo-se a que melhor atenda as condicionantes discutidas anteriormente. Definida a melhor linha de ensaio procede-se a um levantamento planialtimetrico cadastral em escala grande 1:1000 e uma fixa de 200 metros a 500 metros que a contenha, utilizada para estudos detalhados de relevo (perfil longitudinal), geológia/geotécnia (perfil geotécnico), interferências aéreas e subterrâneas (edifícios, sistemas viários, ferroviários e metroviários, telefonia, redes de eletricidade, agua e esgoto, drenagem, lençóis freáticos como os mais importantes) podendo ocorrerem outras interferências aqui não mencionadas como passivos ambientais.
A partir desta etapa com a inserção das condicionantes apresentadas, o software Power Rail Track, mostrasse extremamente interessante para o auxílio nas tomadas de decisão dos projetistas, com economia de tempo e custos com a otimização do traçado.
Com o propósito de facilitar o entendimento da abrangência deste trabalho será apresentado em seis etapas exibido na figura 1.
Na introdução aborda-se a contextualização e importância do tema, problemática, objetivos geral e específicos, justificativa e relevância da pesquisa, na metodologia da pesquisa procurou-se verificar o alcance do estudo e as limitações do mesmo.
A revisão bibliográfica, abrangeu a análise do sistema ferroviário brasileiro, os procedimentos para elaboração dos projetos geométricos, conceitos básicos da geometria, os fundamentos teóricos e apresentação de forma geral do software Power Rail Track.
Para aplicação do Software Bentley Power Rail Track, foram pesquisados os manuais, site na internet e cursos de aprofundamento para utilização do software nos escritórios da Bentley em São Paulo, visando a identificação das rotinas necessárias para auxiliar ao projetista nos traçados; buscou-se as experiências internacionais donde se implementou o software para consolidação da pesquisa.
Na aplicação do software e estudo de caso, abrangeu a maior parte da pesquisa, apresentando as funções básicas e específicas que o projetista deve dominar, além da descrição do desenvolvimento do estudo caso.
A análise dos resultados obtidos concretizou-se com a elaboração de um traçado geométrico no trecho entre a Marina da Gloria e o bairro do Leblon, desenvolvido com o Power Rail Track, consolidando esta pesquisa e comprovando a exequibilidade no uso do referido software nos futuros projetos geométricos necessários à expansão da rede ferroviária brasileira, com maior agilidade, melhor escolha dos traçados e custos reduzidos.
1.2 Objetivos
Conforme Cervo e Bervian (2007), os objetivos de uma pesquisa definem muitas vezes a natureza do trabalho, o tipo de problema a ser selecionado, o material a coletar e outros. Considerando o contexto da pesquisa apresentado até o momento, o estudo tem objetivo geral e objetivos específicos.
Objetivo geral
O objetivo geral da pesquisa é apresentar o uso do software Power Rail Track e propor um manual que permita a utilização desta tecnologia computacional no auxílio da elaboração do projeto geométrico de uma ferrovia, contribuindo na sua otimização.
Objetivos Específicos
• Identificar as características do software.
• Analisar os princípios, atributos e elementos que integram o conjunto de ferramentas uteis para o projetista em função do relevo na elaboração do traçado.
• Considerar um estudo caso (trecho experimental) como indicador do desempenho do software.
• Elaborar uma guia básica fundamentada no estudo de caso, com o uso das principais ferramentas de desenho (CAD) visando novos usuários
1.3 Justificativa
O projeto geométrico deve ser aprimorado em função da evolução dos sistemas de transportes, principalmente se tratando das novas tecnologias ferroviárias, visando tanto o âmbito acadêmico como o ambiente das organizações públicas e privadas. Constata-se que pesquisas em bases de dados científicas, publicações de artigos, teses, dissertações, relatórios, e projetos de grandes empreendimentos, abordam o avanço tecnológico ferroviário em materiais, veículos, infraestrutura dentre outros, no entanto na literatura nacional a quantidade de estudos focados em projeto geométrico ferroviário são reduzidos (SILVA, 2005).
A maioria das publicações sobre sistemas ferroviários envolvem, aspectos voltados às características da superestrutura e via permanente, impactos gerados e as técnicas para melhorar a infraestrutura e superestrutura, sem abordar de forma significativa o traçado geométrico. A geometria da via afeta diretamente a operação, sendo o fator primordial no desempenho da ferrovia.
Entende-se que este trabalho pode contribuir no âmbito acadêmico preenchendo lacuna na bibliografia nacional, na medida em que se desenvolveu pesquisa sobre novas tecnologias que ajudam otimizar o projeto geométrico em sistemas ferroviários.
A pesquisa apresenta no capítulo 3 as funcionalidades do software e a possibilidade de interagir com diferentes variáveis entre projetos geométricos e executivos da engenharia civil como hidráulica, drenagem, superestrutura, projetos arquitetônicos de estações, gares entre outros sem deixar de lado a questão ambiental.
A motivação para a escolha do tema está relacionada com a possível aplicação do software em futuros projetos ferroviários no Brasil, o resgate das normas internacionais, em novas publicações, os avanços e experiências adotadas em outros países com sólidas tradições ferroviárias, e proporcionar com este trabalho material bibliográfico, de modo a incorporar em nossa formação acadêmica tais conceitos e conhecimento das novas tecnologias que permitam o desenvolvimento deste modal de transporte.
Esta pesquisa pretende contribuir também com a elaboração de um “manual de procedimentos” para utilização do software Power Rail Track, buscando interacionar os conceitos teóricos e práticos de forma a permitir que novos usuários sejam facilmente introduzidos e induzidos ao aprimoramento no seu uso; os exemplos práticos são apresentados no projeto geométrico do trecho experimental. Informações teóricas da utilização do software Power Rail Track, podem ser encontradas no artigo publicado na revista de Journal of Civil Enginneering and Architecture que está no anexo I desta dissertação de mestrado.
1.4 Metodologia
Neste capítulo apresenta-se a metodologia da pesquisa que é classificada em quanto: à natureza, forma de abordagem (qualitativa e quantitativa), objetivos e aos procedimentos técnicos adotados.
Conforme Marconi e Lakatos (2010), a pesquisa que é classificada pode ser entendida como um procedimento formal, com método de pensamento reflexivo que requer um tratamento científico e se constitui no caminho para o conhecimento realidade ou para descobrir verdades parciais.
De acordo com NABAIS e COSTA (2005), quanto à natureza este trabalho se classifica como pesquisa aplicada, pois objetiva por meio de aplicação pratica conhecimentos para a solução de problemas específicos, envolvendo verdades e interesses locais.
Este trabalho em relação à forma de abordagem, contempla aspectos qualitativos e quantitativos. De acordo com Creswell (2007), pesquisas qualitativas têm como enfoque os estudos em que as variáveis ainda são desconhecidas. Enquanto que nas pesquisas quantitativas, as variáveis são conhecidas pela coleta de diferentes fontes, e levantamento de número considerável de dados, caracterizando-se pela utilização de instrumentos matemáticos, tanto na coleta quanto no tratamento e análises dos mesmos; no caso desta pesquisa com a utilização o software Power Rail Track.
Para Vergara (2010), as pesquisas exploratórias têm o objetivo de possibilitar uma visão geral do tipo aproximativo acerca de determinado evento, principalmente quando o tema escolhido para o desenvolvimento da pesquisa, mostra-se pouco explorado. De acordo com as classificações de GIL (2010), quanto aos objetivos, esta pesquisa é também exploratória, uma vez que busca maior familiaridade com o problema e torná-lo mais explícito.
Inicialmente foi realizada a pesquisa bibliográfica que possibilitou o desenvolvimento de um artigo científico, utilizado na contextualização e elaboração do referencial teórico para o trabalho. O levantamento teórico teve como base os principais conceitos e aspectos relacionados com as ferrovias no Brasil, o sistema ferroviário relacionado com a parceria
público-privada, o traçado geométrico, as normas e especificações internacionais, a relevância e aplicações do software em diferentes projetos, e a utilização das novas tecnologias ferroviárias.
A pesquisa bibliográfica fundamentou-se em livros técnicos, teses, dissertações, relatórios, artigos nacionais e internacionais, além de manuais e conferência e workshop online com usuários principalmente dos países Alemanha, Espanha, Reino Unido, India República Popular da China, China e Rússia, além de trocar conhecimentos e soluções nos fórum e blogs da Bentley Communities. (http://communities.bentley.com/users/rail_design).
A revisão bibliográfica permitiu a estruturação da pesquisa, definindo as etapas, e também a proposta para elaboração de um manual técnico, que auxiliem os usuários do Power Rail Track no desenvolvimento de traçados geométricos. A revisão bibliográfica teve como foco os seguintes temas:
• Traçado geométrico ferroviário e os alinhamentos horizontais e verticais.
• Parâmetros do projeto geométrico e de segurança associados às normas e padrões ferroviários utilizando o software Power Rail Track.
• Normas e especificações utilizadas nas ferrovias Brasileiras.
• Programas computacionais (MicroStation e TopoGRAPH) que interagem na mesma plataforma computacional do Power Rail Track.
Após o desenvolvimento e realização da revisão bibliográfica, analisou-se a aplicação do software em estudo caso, definindo as etapas que facilitam o uso do software na realização de um traçado geométrico; o estudo de caso é descrito no quarto capítulo dessa dissertação.
1.5 Alcance da pesquisa
Este trabalho discorre somente sobre as funcionalidades relativas ao Projeto Geométrico com o uso do Power Rail Track, não sendo abordados projetos de construção civil como estruturas em concreto e metálicas, pontes, viadutos, drenagem, redes de utilidades que são possíveis de elaboração no referido software, demostrando a grande potencialidade, assuntos que poderão ser objeto de futuras pesquisas.
O software Power Rail Track utiliza o método de mínimos quadrados (técnica de otimização matemática que procura encontrar o melhor ajuste para um conjunto de dados, minimizando a soma dos quadrados das diferenças entre o valor estimado e os valores observados) para análise do projeto geométrico, além de integrar as diretrizes do desenho e as normas e padrões internacionais.
Esta pesquisa utilizou como base a plataforma computacional MicroStation e também do software TopoGRAPH (ambos são de propriedade e desenvolvidos pela Bentley). O MicroStation é a plataforma CAD que contém ferramentas de desenho, enquanto TopoGRAPH apresenta funcionalidades especificas para a definição de alinhamentos dos projetos geométricos.
Ressalte-se que o TopoGRAPH foi desenvolvido inicialmente pela empresa (Char Pointer Informática) e posteriormente adquirido pela Bentley, com muitos usuários no Brasil, motivo pelo qual existe a facilidade de desenvolvimento inicial dos projetos geométricos e após importados no Power Rail Track para aperfeiçoamento dos projetos ferroviários. 1.6 Limitações da pesquisa
Como já mencionado o software tem grande abrangência de temas relacionados à várias áreas da engenharia, entendeu-se que foi necessário realizar um “recorte teórico” para o desenvolvimento da pesquisa bibliográfica em razão da abrangência dos principais temas abordados pela plataforma Bentley e com relação aos objetivos nesta pesquisa, os quais compreendem o estudo do traçado geométrico, sem incluir muitas das variáveis e indicadores da potencialidade do software Power Rail Track.
Excluiu-se do foco do estudo da pesquisa os aspectos relacionados a:
i) Automatização de fluxos de trabalho com variáveis ambientais, sociais hidráulicas, estruturais e econômicas que interagem no desenho da ferrovia; ii) Estudos de projetos geométricos relacionado ao comportamento da
composição ferroviária, volume e pesos das cargas e do tráfego (passageiros ou cargas);
iv) Modelagem 3D da geometria da via com atualização automática de desenhos e relatórios.
v) Aplicação de Sistema de Informação Geográfica (SIG) como suporte integrado a atualização automática de um sistema cadastral da via, para apoio durante a construção e manutenção da linha férrea.
vi) Estudo do traçado geométrico quanto a morfologia dos solos, geológia e geotécnia.
vii) Modificação de antigos traçados, redefinição de perfis em ferrovias já construídas e integração de ferrovias que contenham estruturas como viadutos e pontes.
viii) Desenhos de AMV´s - aparelhos de mudanças de vias (será apresentado de forma geral o procedimento para criação de AMV´s sem, no entanto, com muito detalhamento do processo).
No entanto, a pesquisa no estudo de caso abrangerá um trecho de aproximadamente 18,00 km para a elaboração de um projeto geométrico, composto do traçado em planta e perfil longitudinal (greides) e seções transversais gerando cortes aterros e mistas pela aplicação de “seção tipo”. A faixa do estudo caso desenvolveu-se em planta topográfica planialtimetrica e cadastral em escala 1:1000 no formato digital (DWG). Apresentando um grau elevado de complexidade haja, vista, contendo edifícios, túneis e ligando sistemas viário existentes na área urbana da cidade de Rio de Janeiro.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Análise do sistema ferroviário brasileiro
Este capítulo apresenta a revisão bibliográfica que serviu de base para desenvolvimento desta pesquisa, levando em conta as abordagens:
• Análise do panorama atual do sistema ferroviário brasileiro.
• Componentes e conceitos básicos do projeto geométrico ferroviário.
• Conceitos e fundamentos teóricos em projeto geométrico com a utilização de ferramentas computacionais (CAD).
• Experiências da utilização do software Power Rail Track em outros países
O modal ferroviário é o mais relevante sistema terrestre de transportes de massa, de passageiros e cargas, por apresentar segurança, conforto, confiabilidade, custos moderados e boas condições de sustentabilidade.
No transporte ferroviário até meados da década de 1960 a rede brasileira contava com mais de 38.000 km, no entanto houve decréscimo nas últimas décadas e em 2010 apresenta 28.000 km em operação. Como se sabe no Brasil a predominância do transporte de cargas e passageiros é realizada pelo modal rodoviário, o mesmo ocorre em outros países da América do Sul como Argentina, Peru e Colômbia, contrariamente ao que ocorre em grandes países como Rússia e Estados Unidos onde as ferrovias exercem um importante papel (CNT,2013).
Como citado pela Revista Ferroviária, (2012):
O Brasil passou toda a segunda metade do século XX sem cuidar das suas ferrovias, que envelheceram e perderam para o transporte rodoviário e aeroviário boa parte do seu mercado. O concessionamento do final dos anos 90 permitiu o surgimento de organizações empresariais eficientes e modernas, que melhoraram muito o desempenho das ferrovias existentes, mas não foram capazes nem de construir ferrovias novas nem de atualizar milhares de km de linhas antigas sob sua gestão. O transporte de passageiros acabou, a carga geral passou toda para o caminhão e
os concessionários se concentraram (como seria de esperar) nos nichos mais lucrativos, representados pelo transporte de minério, soja e outros granéis de exportação. Com isso, dois terços da malha ferroviária brasileira, já diminuta para o tamanho do território, ficaram subutilizadas.
Segundo Associação Nacional de Transportadores Ferroviários (ANTF, 2011) atrair investimentos externos é um dos grandes desafios do Governo Federal para ampliar a malha ferroviária, baixar os fretes, ampliar a rede e ainda melhorar os traçados atuais. Para se ter uma ideia, o custo de construção de apenas um quilômetro de ferrovia é de U$ 1,5 milhão, sem incluir obras de arte como pontes e viadutos, que muitas vezes são necessárias.
Estimativas da Associação Nacional de Transportadores Ferroviários (ANTF, 2015), o custo médio para a construção de um quilômetro de rodovia é de U$ 200 mil, ou seja, o valor final de uma ferrovia é aproximadamente sete vezes maior. A construção de ferrovias também leva mais tempo, em seis meses, pode-se construir até 500 quilômetros de estrada sem pavimentação, para a mesma extensão de uma ferrovia, demandaria por volta de cinco anos. Atualmente a malha ferroviária é 50 vezes menor que a rodoviária.
Segundo o Instituto de Pesquisas e Estudos Avançados (IPEA, 2012), o Governo Federal lançou o Plano de Investimentos em Logística (PIL), que prevê a integração entre todos os modais de transporte. Estabeleceu como meta a construção ou melhoria de 11 mil km de ferrovias, no entanto menos de um terço dessas obras foram realizadas até agora; o principal problema aparece na deficiência dos estudos técnicos, com licitações mal especificadas, elevando consideravelmente, os custos da implantação, operação e gestão
Conforme o Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte, (DNIT,2013):
Nos anos 90 o volume de transporte de mercadorias aumentou 26% e posteriormente a quilometragem das ferrovias voltou a subir alcançando 28,538 km em 2014. No Plano Nacional de Ferrovias, relançado em 2015, a previsão é a de construir dez mil quilômetros de ferrovias em 20 anos, até 2035, alcançando então praticamente 40 mil quilômetros de estradas de ferro, que, em alguns trechos, poderão desenvolver até 80 quilômetros por hora (atualmente a maior parte das ferrovias não supera os 45 km/hora).
Existem, no entanto, várias mudanças previstas e que podem aumentar consideravelmente a extensão da malha ferroviária brasileira no âmbito do transporte de carga. A maior parte da rede situa-se na região Sudeste onde os estados de São Paulo e Minas Gerais contam cada um deles, com aproximadamente cinco mil quilômetros. No tocante ao transporte de passageiros, a rede ferroviária é quase inexistente para a grande extensão territorial, se comparado com a utilização deste modal de transporte em outros países (IPEA, 2012).
Segundo GAMA (2015) no seu artigo intitulado: “A infraestrutura de Transporte que o Brasil Precisa”, expõe que “a experiência do transporte ferroviário na Índia, que consiste na gestão das operações ferroviárias quase sempre sob a responsabilidade da empresa estatal - Indian Railways, do Ministério Federal da Ferrovia, poderia ser um exemplo bem-sucedido à ser adotado pelo Brasil”.
Neste país a rede ferroviária estende-se por todo o comprimento e largura do país, com extensão total de 63,140 km; trata-se da quarta maior rede ferroviária do mundo, com o transporte anual de mais de 5 bilhões de passageiros e mais de 350 milhões de toneladas de carga. As suas operações abrangem vinte e oito estados e três territórios da União Indiana, além de prestar serviços limitados ao Nepal, Bangladesh e Paquistão.
Segundo o Centro Científico do Instituto de Direito e Economia de Moscou (IDEM, 2015) a rede ferroviária da Rússia apresenta 86 mil km de extensão, (43 mil km eletrificados), são transportados anualmente mais de 1,1 bilhão de toneladas de cargas, e também mais de 1,1 bilhão de passageiros. A Rússia também dispõe do Sapsan, trem de alta velocidade, que liga Moscou a São Petersburgo; a viagem de 660 quilômetros que anteriormente demorava oito horas agora é feita em apenas 3 horas e quarenta e cinco minutos, com uma velocidade de 200 quilômetros por hora.
A Rússia pretende instalar uma ferrovia com velocidades entre 350 a 400 km/hora, para transporte de passageiro, e também uma ligação ferroviária subterrânea de 105 km (o dobro da linha do Canal da Mancha, entre a França e o Reino Unido) no estreito de Bering, ligando a Rússia aos Estados Unidos; as estimativas de investimento são consideradas em US$ 90 bilhões no período de 10 a 15 anos (IDEM, 2015).
De acordo à Union Internationale des Chemins de Fer(UIC, 2009) a China já conta com a maior rede ferroviária de alta velocidade do mundo, com mais de 17.000 km de vias; a expansão da rede ferroviária de alta velocidade para 30 mil quilômetros, com trens circulando a uma média de 350 km/h, será concluída até o final da década segundo o Ministério da Ferrovia. Além disso, conseguiu interligar todas as suas 22 províncias, sendo que o último trecho construído foi o mais difícil de todos: Qinghai-Tibete, que percorre uma região em que 85% de seu trajeto está em território de baixas temperaturas entre 0ºC -45ºC.
A Confederação Nacional de Transporte (CNT, 2012) no seu estudo: “Transporte de Cargas no Brasil”, afirma que:
O Brasil concentra aproximadamente 65% do total da carga transportada no modal
rodoviário, sendo apenas 21% e 14% nos modais ferroviário e hidroviário respectivamente; teoricamente, o sistema ferroviário brasileiro poderia transportar muito mais cargas e passageiros, considerando a enorme extensão territorial, bem como menores custos em relação ao outros modais.
No caso do Brasil, existem planos para nos próximos 25 anos aumentar em 10 mil quilômetros a malha ferroviária, no entanto existe uma carência de projetos bem constituídos tecnicamente, e profissionais capacitados em Engenharia Ferroviária. É fundamental atrair grandes investidores capazes de movimentar recursos da ordem R$ 800 bilhões (CNT, 2012).
O programa PIL que prevê a integração dos modais de transporte, contam com o Banco Interamericano de Desenvolvimento (BID) e a Corporação Andina de Fomento (CAF), para a gestão, aporte financeiro e captação de recursos junto a iniciativa privada, visando a melhor distribuição de cargas e passageiros diminuindo a dependência do modal rodoviário (CNT, 2012).
A tabela 1, apresenta um gráfico com a extensão das principais malhas ferroviárias no mundo, pode-se observar que os países com maior desenvolvimento apresentam também as maiores extensões. Dentre os países emergentes, o Brasil figura com a maior extensão, sem, no entanto, ser suficiente para atendimento da demanda tanto de cargas, como de passageiros.
Tabela 1 Posição mundial referidos ao comprimento total da malha ferroviária
Fonte: National Geographic Society’s- the-world-factbook https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook
Como já apresentado, o modal ferroviário é o ideal para o transporte de cargas volumosas e pesadas que necessitam percorrer longas distâncias terrestres, além de melhorar a mobilidade em áreas urbanas se tratando de passageiros. A maior dificuldade no âmbito do transporte de cargas está a vencer declives e aclives acentuados quando o relevo é muito acidentado; este modal é ideal para o Brasil, pois no relevo brasileiro predominam terrenos ondulados e planos em grandes extensões, principal fator no traçado.
2.2 Conceitos básicos para o traçado ferroviário
Segundo Carvalho (1996), o traçado de uma linha ferroviária é definido por seu eixo, com projeção nos planos horizontal (traçado em planta) e vertical (traçado em perfil). Em planta os alinhamentos são definidos pelas coordenadas ortogonais X e Y das suas extremidades, concordados por curvas horizontais nas mudanças de direção. Em perfil os alinhamentos são definidos por rampas ascendentes e descendentes em função das cotas ou altitudes Z, sendo nas mudanças de inclinação concordadas com curvas verticais.
Ressalta-se que a unidade de medida entre alinhamentos é definida por “estaca” que corresponde à 20m de distância horizontal, bem como as escalas de representação são diferenciadas de tal forma que a vertical é 10 vezes a horizontal (para destaque do relevo), (CARVALHO, 1996).
Para se obter equilíbrio no traçado ferroviário, todos os elementos geométricos devem ser concebidos tanto, do ponto de vista da viabilidade econômica quanto de uma operação segura, adotando-se os parâmetros em função de uma velocidade diretriz, conhecida também como velocidade de projeto (CEN, 2010).
De acordo as características gerais, os componentes do traçado de uma via férrea se dividem em curvas circulares horizontais e raios de curvatura, ações atuantes nas curvas horizontais, superelevação: teórica, máxima e prática, velocidades máximas, curvas de transição, rampas verticais e seus valores máximos e mínimos, curvas verticais de concordância e entrevias.
Segundo Paiva (2016) a geometria da via férrea é representada no projeto geométrico horizontal, vertical e na seção transversal típica. O projeto horizontal compreende a definição das coordenadas planimétricas de toda a extensão do eixo da via e de pontos auxiliares de locação de curvas circulares, espirais, de aparelhos de mudança de via e outros julgados importantes para implantação da via férrea.
A geometria da via também é caracterizada pelas variações altimetrias do traçado contidas no projeto geométrico vertical. Esse projeto representa a variação do terreno original ao longo do eixo do traçado e o perfil longitudinal projetado com suas inclinações longitudinais, curvas verticais e cotas do perfil longitudinal da via em toda sua extensão ESVELD (1989).
Adicionalmente é necessário verificar as restrições ao movimento das composições devido ao traçado geométrico da via, os aparelhos de mudança de via, travessões, pátios ferroviários, faixas de vias, equipamentos de via complementares, localização das estações e terminais, são condicionantes a serem considerados na escolha do traçado da via (CEN 2001).
Segundo Paiva (2016), no referente as características que precisam ser definidas, antes do início do projeto geométrico da via férrea são: velocidade de diretriz ou de projeto a ser adotada e determinação do veículo do projeto e suas dimensões, onde o autor afirma:
• Velocidade de diretriz ou de projeto a ser adotada: definida a partir da máxima
velocidade possível que as condições de terreno permitem trafegar, e o projeto ferroviário a ser implantado possa ser executado dentro de viabilidade econômica.
• Veículo do projeto e suas dimensões: definido a partir de dois critérios o primeiro
constituído pelo veículo padrão que deve utilizar a via (frota padrão ou frota mista), o segundo constituído pelo veículo que mais solicita a via em termos de: tamanho, tipo e peso do veículo, geometria de carregamento, sistema de tração, capacidade de frenagem e de transporte e distribuição dos diferentes tipos de veículos.
Os conceitos básicos para adequada definição da geometria da via férrea são:
• Bitola.
• Traçado em planta: curvas circulares e de transição. • Superelevação da via.
• Superlargura.
• Raios mínimos horizontais
• Traçado em perfil: curvas verticais, rampas verticais máximas e mínimas e sua concordância.
• Raio de curvas verticais.
Bitola da via: segundo definição de Schramm (1977), denomina-se bitola (gauge em inglês) à “distância entre os dois trilhos da linha, medida de 12 a 16 mm abaixo da superfície de rolamento do boleto” conforme apresentado na figura 2. De acordo com Brina (1979) a “bitola é uma característica fundamental tanto do traçado como de exploração ferroviária, só um profundo estudo técnico e econômico permitirá, em cada caso chegar-se a solução mais conveniente para esolha da bitola”. Para Lima (1998) a bitola é “o parâmetro de maior importância na definição das características geométricas, exatamente por definir a base de uma ferrovia. ”
Figura 2 Bitola ferroviária
Fonte: Elaborado pelo Autor (2016)
A maioria dos países têm as suas vias férreas com bitola de 1.435 milímetros denominada de internacional ou padrão, adotada oficialmente pela Conferência Internacional de Berna, em 1907.
• Bitola estreita ou métrica com 1.000 mm, que representam maior extensão da malha ferroviária brasileira.
• Bitola larga, de 1.600 mm, e foi utilizada em todas as principais ferrovias construídas nos últimos 50 anos no país.
No Brasil, existem vias que recebem trens de diferentes bitolas, e essas vias apresentam a chamada bitola mista, essas vias são estabelecidas para receber as bitolas larga e métrica (PAIVA, 2016).
Os países europeus empregam a bitola padrão de 1435mm, a mesma utilizada nas linhas de alta velocidade; algumas ferrovias espanholas adotam geralmente a bitola larga de 1600mm para seus traçados, porém em geral é a menos utilizada, por agregar maior custo de construção da linha, apesar de garantir maior estabilidade.
Já a bitola métrica, apresenta como principais vantagens curvas de menor raio; menor largura da plataforma, terraplenos e obras; economia de lastros, dormentes e trilhos; menor resistência à tração e economia nas obras de arte (BRINA,1979).
Contrariamente, vias com bitola métrica estabelecem menor capacidade de tráfego, menor estabilidade do trem, o que se traduz em baixa velocidade de marcha especialmente em regiões que requerem curvas de raios menores (RIVES, PITA, PUENTE, 1977).
Traçado em Planta: desempenha grande importância em um projeto ferroviário, porquanto suas características geométricas estabelecem os limites de velocidade de circulação das composições ferroviárias; é importante que exista uma relação de compatibilidade entre os diversos parâmetros que afetam a segurança e o conforto do passageiros e cargas, como raio, velocidade, superelevação, aceleração não compensada1 e o comprimento da curva de transição.
No traçado em planta existe uma sucessão de alinhamentos retos denominados “tangentes”, concordados por curvas horizontais entre as quais se encontram as curvas circulares e as de transição. No caso das curvas circulares, o valor do raio é constante ao longo de todo seu desenvolvimento, enquanto que, a curva de transição se caracteriza por apresentar uma mudança gradual do raio, do infinito até atingir o raio da curva circular. As curvas de transição empregadas para o traçado em planta geralmente são as clotoides, em que a variação do raio de curvatura é invariável em toda sua extensão. (PORTO, 2004)
Curvas circulares: são as grandes responsáveis pelas restrições impostas à circulação de trens, dadas suas características geométricas e os efeitos físicos gerados pelo tráfego das composições. As ferrovias apresentam maiores exigências quanto às características das curvas do que nas rodovias, dada que a trajetória descrita pela composição é definida pelos trilhos rodas-eixo, a aderência nas rampas e o paralelismo dos eixos, que impõe a necessidade de raios mínimos maiores do que os raios encontrados em rodovias (PORTO, 2004).
A curva circular é definida a partir do ângulo central formado pelas retas anterior e posterior no ponto de interseção PI. O raio da curva circular é escolhido acima do valor mínimo, definido em função da velocidade de diretriz e eventualmente em valor facilitador
1 Aceleração não compensada: define-se como parte da aceleração centrífuga que não é compensado pela máxima superelevação quando o trem percorre a curva. Esta aceleração não compensada limita a velocidade minimizando os parâmetros de segurança e o conforto do passageiro. O valor máximo admitido pela norma AREMA é de 0.65m/s2, já na norma UIC o valor é de 0, 67m/s2.
de locação topográfica no terreno. É recomendável empregar o maior valor possível de raio horizontal para a curva circular; para grandes raios de curvas circulares (>1000m) é possível desprezar a superelevação pelos baixos valores da ação da força centrífuga atuando na composição (MARTIN LINDAHL, 2001).
Curvas de transição: segundo PORTO (2004) a curva de transição é utilizada na concordância (inserida) entre alinhamentos retos e uma curva circular, de forma a que a composição percorra uma trajetória mais confortavelmente, evitando o impacto da força transversal sobre os trilhos e sobre a composição; permitem ainda que a superelevação ou declividade transversal nos trechos circulares seja alcançada gradativamente a partir do trecho em tangente, em que a declividade transversal poderia teoricamente ser nula.
A introdução da curva de transição permite que a variação de aceleração centrifuga seja distribuída ao longo de sua extensão e, assim, aumentar o conforto e a segurança operacional da ferrovia. As mais utilizadas são a parábola cubica e a clotóide ou espiral, sendo esta última mais recomendável para traçados em planta, por sua equação apresentar um grau de curvatura mais progressiva e a variação da curvatura ocorre de forma linear. Como critério geral de traçado adota-se que as clotoides de entrada e saída da curva circular sejam simétricas (ESVELD, 1989).
A figura 3 apresenta a geometria da curva de transição utilizando uma clotóide.
Figura 3 Curva de transição
Superelevação: segundo a ABNT (1985), define a superelevação como a inclinação transversal dada à via para contrabalançar os efeitos da força centrífuga, sendo esta a diferença de altura entre os trilhos externo e interno nas curvas como se observa na figura 4. A superelevação teórica é definida como a diferença de altura entre os trilhos necessária para anular completamente a força centrífuga que atua sobre a composição ferroviária (MANTARAS, RODRIGUES, 2003).
Magalhães (2007), afirma que a superelevação é o incremento de altura que se dá ao trilho externo em curvas, para que seja possível compensar a ação da força centrífuga. Em uma via ferroviária estabelecida em um plano horizontal, a força centrífuga desloca o veículo no sentido do trilho externo, provocando neste um forte atrito através dos frisos das rodas, podendo ocorrer um tombamento do veículo caso a grandeza da força exceda certo limite. Por isso é realizado o processo de inclinação de um dos lados da via, com finalidade de contrabalancear o efeito nocivo da força (BRINA, 1979).
Figura 4 Diagrama de forças atuantes no veículo ferroviário relevantes para cálculo da superelevação Fonte: Brina (1979). Adaptado pelo autor
Através da segunda lei de Newton, é possível afirmar que a força centrífuga varia diretamente com a massa do veículo e com o quadrado de sua velocidade, porém varia inversamente com o raio da curva. Em trechos com várias curvas, a velocidade máxima de
projeto será determinada levando-se em conta a curva de menor raio, ou a mais fechada (ESVELD, 1989).
Conforme PAIVA (2016)
Na prática, a escolha do valor de superelevação depende das velocidades operacionais dos trens que circulam na curva:
• Para uma via com tráfego só de trens de passageiros ou apenas trens de
carga, as condições a serem consideradas são:
• Velocidade diretriz é a máxima operacional. • Condição de estabilidade do trem parado na curva.
• Para uma via com tráfego misto, as condições a serem consideradas são: • Velocidade diretriz em função das operacionais dos trens de passageiros e
de carga.
• Condição de estabilidade do trem parado na curva.
Portanto, o valor da superelevação numa via com tráfego misto deve obedecer às seguintes condições:
hvmin < h < hvmax
Onde: vmax – Velocidade máxima corresponde aos trens de passageiros vmin - Velocidade mínima corresponde aos trens de carga.
Superlargura: segundo Brina (1979) refere-se ao leve aumento da bitola nas curvas de pequeno raio (150,0m - 300,0m), geralmente de 1,0 cm a 3,0 cm; este acréscimo facilita a inscrição dos veículos de base rígida nas curvas. Conforme PAIVA (2016) expõe
A inserção da base rígida do truque força o trilho externo para sua inscrição; isso provoca desgastes no trilho e na roda por conta do ângulo de ataque do friso da roda na face lateral do boleto.
O emprego da superlargura nas curvas de menor raio permite melhorar essa inscrição e diminuir os esforços (desgaste) e a resistência da curva.
A locação da superlargura realiza-se, deslocando o trilho interno a fim de garantir a continuidade da curva do trilho externo que guia as rodas. Ela é distribuída à razão de
1mm/m de comprimento, chegando a 0,5mm/m nas linhas de alta velocidade; o comprimento da distribuição da superlargura se mede a partir dos pontos de tangência (PC e PT) nas curvas sem transição, ou a partir de um ponto anterior ao (EC) quando a curva tem transição, atingindo seu valor total no EC (BRINA,1979).
Os critérios técnicos adotados para o cálculo da superlargura (SL) são em geral empíricos como as formula de Henshel (Carvalho, 1973, Brina, 1979) apresentada a seguir:
SL= 6000/R Onde R[m] e SL[mm].
Raios mínimos das curvas horizontais: o valor do raio mínimo das curvas horizontais é definido em função da velocidade diretriz estabelecida no projeto geométrico e do veículo do projeto que irá circular na via. O raio mínimo é diretamente proporcional à velocidade prevista; vias de raios maiores não necessitam de superelevação para operação segura e confortável.
De forma geral a velocidade é afetada (reduzida), após de algum tempo de operação da ferrovia em virtude do desgaste dos trilhos afetando a geometria estabelecida no projeto horizontal e vertical, o que não ocorre com uma via férrea recém-construída cujo desempenho de velocidade é próximo à velocidade diretriz do projeto (PAIVA,2016).
Segundo a Agência Ferroviária Europeia (ERA) nas Especificações técnicas de interoperabilidade do sistema ferroviário transeuropeo convencional ETI (2011), sugere que:
Nas vias em que os trens circulam a baixa velocidade, o raio mínimo não seja inferior a 150,0m”. Porém, “nas vias em que existam curvas reversas sem tangente entre elas, o raio mínimo deve ser superior a 190,0m”. Caso exista uma tangente de, no mínimo 7,0m entre essas curvas, tolera-se um raio mínimo inferior a 190,0m.
Na tabela 2 a seguir são apresentados os valores que a (ERA) estabelece para o raio mínimo de curvas circulares conforme a norma NRV 0200/2011.
Tabela 2 Raios mínimos pelas normativas NRV 0200 - NRV 0201/2011
Fonte: Agência Ferroviária Europeia - ETI (2011) adaptado pelo autor.
Traçado em perfil: conforme PAIVA (2016), o projeto de greide é composto de sucessões de rampas longitudinais concordados por curvas verticais. Sempre é necessário que exista alguma declividade longitudinal no traçado ferroviário, para garantir o escoamento nos dispositivos de drenagem lateral da via.
As condições necessárias para a definição do alinhamento vertical é a garantia da segurança e conforto do passageiro durante a circulação dos trens; ficando condicionando, no entanto ao relevo (PITA, 2006).
As condições topográficas requerem, mudanças nos gradientes ao longo do eixo, escolhendo rampas próximas de 0,0% não esquecendo, no entanto da drenagem das aguas pluviais.
Curvas verticais: conforme STOPATTO (1987), as curvas verticais são necessárias para a concordância da mudança das rampas (ascendentes e descendentes) ao longo do traçado longitudinal, podem ser côncavas ou convexas. Geralmente são utilizadas parábolas de segundo grau, com comprimentos (ramos) iguais nos dois lados do vértice (PIV), conforme a equação:
Onde
• X: posição do traçado na horizontal • Y: posição do traçado na vertical
• A, B e C: constantes da parábola de segundo grau
Velocidade de projeto (KM/h) V≤140 140<V≤160 160<V≤200 200<V≤250 Novas linhas e adaptação de
linhas existentes com mudança de traçado
Normal 1.000 1.300 2.300 4.000
Excepcional - - 2.000 3.120
Melhoras de vias existentes
Normal 970 1.300 1.980 -
Excepcional - - - -
Velocidade de projeto (KM/h) V≤140 140<V≤160 160<V≤200 200<V≤250 Adaptação de linhas existentes para circulação
Figura 5 Alinhamento vertical
Fonte: Elaborado por autor (2016)
Onde:
• PCV: Ponto de curva vertical
• PIV: Ponto de intersecção da curva vertical • PTV: Ponto de tangência vertical
• L/2: Comprimento da curva do PIV até PCV ou do PIV até PTV • L: Comprimento total da curva vertical
• i1: Rampa do greide de entrada (%) • i2: Rampa do greide de saída (%)
Figura 6 Concordância vertical
Onde:
• PCv: Ponto de curva vertical • PTv: Ponto de tangente vertical • PIv: Ponto de intersecção vertical • ACv.: Ângulo central vertical • Rv : Raio de curva vertical
Rampas verticais e sua concordância: os valores máximos e mínimos das rampas verticais, são em geral definidos no projeto geométrico, como já observado pela velocidade diretriz. Normalmente o valor máximo de inclinação de rampa (i%), considera o tipo de locomotiva que será utilizada. Os valores adotados para inclinações de rampas visam minimizar a movimentação de terra do novo traçado; aterros e cortes altos são substituídos por viadutos túneis respectivamente. (PAIVA, 2016).
Os valores máximos de rampas em ferrovias rurais dependem dos veículos de tração utilizados, comprimento das mesmas e consequentemente do atrito entre as rodas e os trilhos; em vias de operação normal a inclinação longitudinal, deve ser no máximo de 2.5% e no mínimo de 0.005%.
Segundo ADIF (2006), os trechos em tangentes, devem apresentar 0.8% a 2.0%, evitando que a curva vertical coincida com o Aparelho de Mudança de Via (AMV); as inclinações inferiores a 0,35% causam acumulo de sedimentos nas valetas de drenagem longitudinais, não sendo adotadas para extensões superiores a 30m. Em pátios ferroviários, as vias estão em nível para evitar o deslocamento dos vagões estacionados, a máxima inclinação admitida para este tipo de vias é de 0,005%. Na tabela 3 se apresentam os valores típicos para rampas ferroviários (PAIVA,2016).
Tabela 3 Valores típicos de rampas ferroviários
Segmentos Valores Máximos (%) Valores mínimos (%)
Tangentes – via corrente 2,5 0,35
Tangentes – Pátios 0,005 0
Curvas horizontais- via corrente 2,5 – Rc (Resist. Curva)
Raios mínimos de curvas verticais: de acordo com PAIVA (2016), a curva de concordância vertical apresenta raios de grande valor, porquanto atende às mesmas restrições ao desconforto dos passageiros já apresentadas nos itens anteriores.
Segundo a CBTU (2005) recomenda os seguintes valores para raios mínimos de curvas verticais:
• Rv min para curvas convexas = 8.000m • Rv min para curvas côncavas = 4.000m • Rv min para pátios = 2.000m
Conforme ESVELD (1989) sugere os seguintes valores: • Rv para curvas convexas = 20.000m
• Rv para curvas côncavas = 10.000m
• Rv min = 2.000m para inclinações longitudinais acima de 0,5% 2.3 Estudos de engenharia para projetos ferroviários no Brasil
O empreendimento ferroviário apresenta vários estudos que permitem a conformação de duas grandes etapas: implantação e operação; a etapa de implantação física se subdivide em outras duas: a fase de projeto e a fase de construção. (PAIVA, 2016)
A fase de projeto apresenta estudos topográficos e estudos preliminares de traçado, destacando-se a coleta de dados geológicos, hidrológicos e geotécnicos, que possibilitam a elaboração dos projetos executivos : projeto geométrico definitivo, projeto de drenagem, projeto de terraplenagem, projeto de super estrutura da via permanente (conjunto de lastro, sublastro e camada final de terraplenagem, conjunto trilho e dormente, acessórios e aparelhos de mudança de via), projetos de obras de arte e de sinalização ferroviária, entre outros não menos relevantes que compõe o empreendimento ferroviário e permitem uma visão completa da abrangência e custo da obra (DNIT,2015).
O projeto geométrico define a escolha do melhor traçado, dentro do estudo, compatibilizando os alinhamentos verticais e horizontais da linha férrea, respeitando-se todas as condicionantes técnicas normativas ferroviárias em função do relevo. Segundo o DNIT (2015) no documento “Instrução de Serviço Ferroviário – ISF 209/2015” define que: “o projeto geométrico de engenharia ferroviária está conformado por duas fases: i) projeto básico ii) projeto executivo”