Departamento de Eng. Produção. Estradas de Ferro Via Permanente - Superestrutura

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1

1 Curso de Engenharia Civil - Estradas de Ferro – Departamento de Produção - Prof. Dr. Rodrigo de Alvarenga Rosa

Prof. Dr. Rodrigo de Alvarenga Rosa

rodrigoalvarengarosa@gmail.com

(27) 9941-3300

Departamento de Eng. Produção

Estradas de Ferro

Via Permanente - Superestrutura

• A superestrutura é a parte da VP que recebe os impactos diretos da composição ferroviária

• Os principais elementos constitutivos da superestrutura são:

– Trilho – Dormente

– Lastro e Sublastro – Acessórios de fixação – Aparelho de mudança de via

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Superestrutura

• Os trilhos são apoiados e fixados em dormentes, que são regularmente espaçados e são assentados, na maioria dos casos, sobre um colchão amortecedor de material granular, o lastro

• O lastro absorve os esforços vindos dos dormentes e transmite ao solo as pressões correspondentes às cargas suportadas pelos trilhos, distribuindo-as, com taxa

Superestrutura

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3

Superestrutura

(4)

• O trilho é o elemento da superestrutura que constitui a superfície de rolamento e guias para as rodas dos veículos

• Perfil do tipo Vignole

Superestrutura - Trilhos

• Classificação quanto ao comprimento do trilho

• Trilho padrão – 12 ou 18 metros • Trilho longo

– trilhos padrão soldados, de 250 a 350 metros

(5)

5 Trilho

Perfil

Vignole

Superestrutura

Trilho

Superestrutura - Trilhos

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• Geralmente o material empregado é o aço-carbono

• Composição – Ferro

• 98% da composição do trilho – Carbono

• proporciona maior dureza ao aço

• Uma maior quantidade torna o aço quebradiço, principalmente se não reduzir o percentual de fósforo

Superestrutura - Trilhos

• Composição – Manganês

• proporciona maior dureza ao aço

• Pode produzir fragilidade junto ao carbono – Silício

• aumenta a resistência a ruptura sem sacrificar a dutilidade ou tenacidade do aço

– Fósforo

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7

• Composição química do aço-carbono – Tabela usada nos Estados Unidos

Superestrutura - Trilhos

• Fabricação dos trilhos

– O aço é levado a lingoteiras

– Os fenômenos físico-químicos que ocorrem nas lingoteiras durante o processo de solidificação do aço pode dar origem a diversas imperfeições do aço

– Cada corrida geralmente gera três lingotes A, B e C e cada um dará origem a um trilho

– Os trilhos são laminados a quente a partir dos lingotes

• é passado em diversos cilindros que vão dando a forma de um perfil Vignole

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• Especificações para recebimento dos trilhos – Normas para recebimento dos trilhos

• UIC (União Internacional das Estradas de Ferro), Europa • ASTM (American Society for Testing Material) , americana • AREA (American Railway Engineering), americana – Características dimensões e peso

• Trilhos de 12 ou 18 m, tolerância no comprimento é +- 3mm • Tolerância nas dimensões da seção transversal é +- 5mm • Tolerância na pesagem é 2% de cada lote de 50 trilhos

desde que o total não ultrapasse 1%

Superestrutura - Trilhos

• Especificações para recebimento dos trilhos – Prova de choque

• Realizada por uma máquina que permite que um peso de 2.000 lb (907,2 kg) caia livremente de uma altura

especificada conforme tabela

• Deve ter um vão de 0,91 a 1,42 m ajustável • Martelo sobre o boleto

• Em temperatura de 38º C

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9

• Especificações para recebimento dos trilhos – Ensaio de tração

• Do boleto do trilho da prova de choque retiram-se corpos de prova a frio para a máquina de ensaio de tração

– Carga de ruptura: 70 a 85 kg/mm2

– Limite de elasticidade: 35 a 40 kg/mm2

– Alongamento em 200mm: 10 a 12%

- Se 10% do material não satisfizer às especificações, a corrida será rejeitada

Superestrutura - Trilhos

• Especificações para recebimento dos trilhos – Ensaio de Resiliência

• Aplicado em 2% dos trilhos e serve como índice de fragilidade do aço

• Corpos de prova de 55 x 10 x 10 mm onde se faz um entalhe com ferro redondo de 2mm

• Submete a choques sucessivos até a fratura

• Se o trabalho de choque foi de τkg m então a resiliência é dada por:

• Onde S é a seção da fratura • ρ>= 3 kg m / cm2

• Não leva a resultados conclusivos, mas é importante a título de registro

Superestrutura - Trilhos

S

τ

ρ

=

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• Especificações para recebimento dos trilhos – Ensaio de Dureza Brinell

• Utiliza-se uma esfera de 10 mm de diâmetro e um esforço de 3.000kg, durante alguns segundos

onde • DB >= 210kg/mm2

Superestrutura - Trilhos

S

P

DB

=

3000

(

)

2

2 2 2

d

D

S

=

π

−

D d

• Especificações para recebimento dos trilhos – Ensaio de Dureza Brinell

• Da Dureza Brinell pode se deduzir o valor aproximado da resistência a ruptura em kg/mm2

• A dureza do trilho é uma das mais importantes propriedades do trilho

• Vai determinar o desgaste provocado pelo atrito das rodas dos veículos, principalmente curvas

Superestrutura - Trilhos

DB

R

=

0 ,

35

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11

• Especificações para recebimento dos trilhos – Ensaio micrográfico

• Atacar a superfície interna do trilho com iodo em solução alcoólica ou com ácido pícrico em álcool

• Permite caracterizar

– as inclusões (matérias estranhas)

– zonas de diferentes concentrações de carbono – Fissuras superficiais

– Ensaio macrográfico

• Atacar a superfície externa do trilho com reativo

• É feito exame de corrosão com uma simples observação visual

• Usa-se reativo de Heyn (cloreto duplo de cobre e amônio em água destilada) ou reativo de Bauman (brometo de prata)

Superestrutura - Trilhos

• Especificações para recebimento dos trilhos – Ensaio de entalhe e fratura

• Um corpo de prova representativo do topo do trilho que passou pela Prova de Choque é entalhado e fraturado • Se a fratura apresentar trincas, esfoliações, cavidades,

matéria estranha interposta, estrutura brilhante ou granulação fina, o trilho do Corpo de Prova é classificado como “X”

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• Classificação dos trilhos

– A ASTM (American Society for Testing Materials) estabelece o seguinte critério

• Trilho no_{1 - trilho isento de qualquer defeito}

• Trilho X - trilho que ensaio de entalhe e fratura apresentou algum problema

• Trilho no_{2 - trilho que contém poucos imperfeições e o}

inspetor por sua análise o aceita

Superestrutura - Trilhos

• Marcas de classificação

– Servem para identificar os trilhos quanto à sua qualidade e comparação das possíveis avarias

• Na alma dos trilhos

– Um lado: Marca da usina, país, indicação de que o resfriamento foi controlado (RC), o tipo do forno de aço referente à fabricação (T-Thomas, B-Bessemer, M-Martin, E-Elétrico, SM-Siemens-Martin), o tipo do trilho (quanto ao peso) e o ano e mês de fabricação

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13

• Trilhos especiais

– As ferrovias estão demandando cada vez mais demandando locomotivas maiores e mais pesadas e o mesmo para vagões – Principalmente nas ferrovias de minério (EFVM, EFC e MRS) – Desgaste principalmente em curvas se torna muito acentuado

nestes casos

– Existem dois métodos para aumentar a vida útil dos trilhos • Fazer um tratamento térmico

• Aços especiais (aço-liga)

Superestrutura - Trilhos

• Trilhos especiais com tratamento térmico

– A têmpera do aço é conseguida pelo tempo de resfriamento do aço

• Tempos de resfriamento muito rápidos levam a aços mais duros e mais frágeis

– Percebeu-se que caso fosse o “recozimento” após a têmpera obtêm-se um aço de grande dureza e tenacidade

• Conhecido como recozimento após têmpera

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• Trilhos especiais - Aços especiais (aço-liga)

– Os aços-carbono comuns não são apenas ligas de ferro e

carbono, eles contém outros elementos que melhoram e pioram a qualidade do aço

– Os aços liga contém maior quantidade dos elementos que efetivamente melhoram a qualidade do aço

• Cromo • Manganês • Silício

Superestrutura - Trilhos

• Defeitos nos trilhos

– Defeitos de fabricação

• Vazios (bolsa de contração) • Segregações

• Inclusões

• Fissuras transversais • Defeitos de laminação

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15

• Defeitos nos trilhos

– Defeitos originados de serviço • Deformação das pontas • Deformação das pontas • Autotêmpera superficial

• Escoamento do metal na superfície do boleto

• Ataque da alma e do patim por corrosão atmosférica • Desgaste por atrito, principalmente nos trechos em

curva

• Desgaste ondulatório

• Fissuras transversais e trincas de fadiga que têm início

no boleto e progridem até o trilho sofrer ruptura

Superestrutura - Trilhos

Escoamento do Boleto

Desgaste por atrito (patinação)

Superestrutura

-Trilhos

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Desgaste Lateral Por atrito

Superestrutura - Trilhos

• São classificados pelo seu peso por metro (kg/metro)

– Os tipos mais comuns são: TR25, TR32, TR37, TR40, TR45,

TR50, TR57, TR68.

• O número que identifica o tipo significa quanto pesa um metro do trilho

– TR68 - 68 quilos por cada metro linear

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17

Superestrutura - Trilhos

TR 57

Superestrutura - Trilhos

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• Pré-dimensionamento de trilhos

– Determinação da Carga de Cálculo

– Sendo

• P - carga por eixo

• Cd- coeficiente dinâmico ou de impacto

• V - velocidade do trem (km/h) • n = Kg / m de aço do trilho

Superestrutura - Trilhos

cálculo d d cálculo

P

n

h

km

V

C

P

2 )

/

100 (

30000

1

2

=

<

+

=

• Supondo um tráfego que suportará um trem com uma locomotiva de peso máximo por eixo de 20 toneladas, com velocidade de 80 km/h, pergunta-se: Qual o perfil de trilho que deverá ser usado?

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19

• Supondo um tráfego que suportará um trem com uma locomotiva de peso máximo por eixo de 20 toneladas, com velocidade de 80 km/h, pergunta-se: Qual o perfil de trilho que deverá ser usado?

• P - carga por eixo

• Cd- coeficiente dinâmico ou de impacto

• V - velocidade do trem (km/h) • n = Kg / m de aço do trilho

• Análise do efeito da velocidade no perfil do trilho: Quanto maior a velocidade, maior será o perfil do trilho

Superestrutura - Trilhos

50

4 ,

48

2 ,

24

2

2 ,

24

21 ,

1

20

21 ,

1 30000

80

1

2

TR

x

n

P

C

cálculo d

→

=

+

=

• Seção Transversal dos Trilhos

– O trilho é colocado inclinado de 1:20 ou 1:40 sobre a vertical • Reduz desgaste do trilho e do aro

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• Seção Transversal dos Trilhos

– O ângulo ββββdo friso da roda é geralmente de 60º

• Se ββββ> 60º há mais facilidade das rodas subirem nas juntas

• Se ββββ< 60º e houver discordância no alinhamento das pontas do trilho há mais facilidade das rodas subirem nas juntas

• Ambas situações provocam o

descarrilamento

Superestrutura - Trilhos

• O boleto do trilho está sujeito a desgaste lateral e vertical

– A largura c e altura e são estabelecidas para atender aos

esforços horizontal e vertical que o trilho está submetido

– O desgaste da altura e pode atingir até 12 mm em vias

principais e 15 mm em vias secundárias

– A largura do boleto c deve guardar com a altura e uma

relação tal que o desgaste lateral não obrigue a substituição do trilho •

Superestrutura - Trilhos

8 ,

1

6 ,

1 a

c

_≈

(21)

21

• O desgaste do boleto deve ocorrer no mesmo tempo que o desgaste por oxidação da alma e do patim

• É importante a relação entre a altura do trilho h e a largura do patim l

– Esta relação é importante para responder

ao esforço vertical P e a força lateral Ft

– O momento de reviramento que é

combatido pelo fixação do trilho mais o momento – A relação ideal é

Superestrutura - Trilhos

1 , 1 0 , 1 a l h _≈ h x Ft 2 l x P 42 Curso de Engenharia Civil - Estradas de Ferro – Departamento de Produção - Prof. Dr. Rodrigo de Alvarenga Rosa

• Coeficiente de utilidade

– onde

• c - coeficiente de utilidade

• w - módulo resistente à flexão onde

S é a área da seção transversal do trilho e h a altura

• p - peso do trilho em kg/m

• Serve para comparar dois perfis diferentes de trilho

– O que tiver maior valor é o mais econômico

– Pois terá menor peso para o mesmo valor do módulo

resistente à flexão w

Superestrutura - Trilhos

p

w

c

=

h S a w=0,25 0,27

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• A durabilidade dos trilhos define os limites de uso do trilho

– Até quando um trilho pode ser usado sem comprometer a

segurança da circulação

– É de extrema importância, pois afeta diretamente os

custos de manutenção da via permanente

• Várias indicações podem ser usadas para estabelecer este limite (mas deve ser analisado em cada ferrovia!)

Superestrutura - Trilhos

• Limite de 12 mm de desgaste vertical do boleto para as linhas principais

• Limite de 15 a 20 mm de desgaste vertical do boleto para as linhas secundárias

• A perda de peso admitida é de 10% para trilhos até TR45 e 15 a 20% para trilhos maiores

• Limite de 25% da perda de área do boleto

Superestrutura - Trilhos

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23

• Desgaste lateral do boleto

– Ângulo de desgaste ΘΘΘΘpode atingir no máximo 32º a 34º

– É medido a partir da extremidade superior do boleto

Superestrutura - Trilhos

• Pode-se relacionar estatisticamente a perda de peso dos trilhos em função do número de toneladas que circulam sobre os mesmos

– Pode-se então prever qual será a vida útil do trilho

• Perda de peso em kg/m (Essa perda refere-se à passagem de 9.072.000 toneladas métricas de carga

– Em função do raio , sendo R o raio da curva

em metros

– Em função da área do boleto , sendo P o peso

do trilho em kg/m e S a área do perfil do trilho em cm2_e∆∆∆∆_S a perda de área do boleto

Superestrutura - Trilhos

R p=433 ∆ S S P p= ∆ ∆

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• Admitindo como limite máximo o desgaste de 25% da área do boleto

– Onde Sb é a área do boleto

Superestrutura - Trilhos

p p T R p S S P p b ∆ ∆ = = ∆ = ∆ max max 000 . 072 . 9 433 25 , 0

• Indicação da AREMA (American Railroad Association)

– onde Ts toneladas brutas que o trilho suporta em short-ton para transformar em tonelada métrica ; W peso do trilho em lb/jd e D a

densidade anual de tráfego em milhões de toneladas brutas

• Então a vida útil do trilho será

Superestrutura - Trilhos

505 , 0 545 , 0 W D Ts = 1 , 1 s T T= T =

(25)

25

• A expressão é válida para tangentes ou curvas com raios superiores a 1.800m.

• Para raios inferiores a este limite deve-se aplicar uma redução na vida útil com base nas estatísticas americanas

Superestrutura - Trilhos

• Para melhorar a vida útil pode-se fazer:

– Lubrificação dos trilhos pela parte lateral interna do boleto – Lubrificação constante dos pratos peão dos vagões e

locomotivas para atacarem menos o trilho

Superestrutura - Trilhos

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• A vida útil de um trilho é de aproximadamente 550 milhões de toneladas de tráfego. Aproximadamente, 9 mil toneladas de tráfego por hora, durante 7 anos. Em linhas secundárias, os trilhos podem durar até 60 anos.

Superestrutura - Trilhos

• Acessórios de trilho

– A tala de junção é o material metálico que apertado contra

as laterais das extremidades do trilho por parafusos com porcas e arruelas de pressão, garante sua continuidade

– Pode ser substituída pela solda dos dois trilhos

(27)

27

• Gancho de via

– Quando existe dilatação dos trilhos em demasia gerando o

deslocamento dos mesmos e da própria grade da via

Superestrutura - Trilhos

Tala de Junção

(28)

Tala de Junção

Superestrutura – Acessório de Trilhos (tala de junção)

• Acessórios de trilho

– A tala de junção pode ser substituída por solda – Aluminotérmica

– Elétrica

(29)

29

Superestrutura – Trilhos (solda)

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Superestrutura – Trilhos (solda)

1 2

3 4

Superestrutura – Trilhos (solda)

Solda Elétrica

C:\DadosRodrigo\MinhasFoto s\SoldaEletrica.avi

(31)

31

• Acessórios de fixação

– Os acessórios de fixação são os elementos que têm por função fixar os trilhos nos dormentes.

Superestrutura – Acessório de Fixação

Placa de apoio

Superestrutura – Acessório de Fixação

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Placa de apoio em perfil Parte de dentro da bitola 1:20 Placa de apoio

Superestrutura – Acessório de Fixação

(33)

33

Fixação Denick

Superestrutura – Acessório de Fixação

Fixação Denick

Superestrutura – Acessório de Fixação

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Superestrutura – Acessório de Fixação

1 2 3

4 5

Fixação Pandrol

Superestrutura – Acessório de Fixação

(35)

35

Fixação Pandrol

Superestrutura – Acessório de Fixação

Tirefond

Mola aperto

Placa de apoio

Fixação Pandrol

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Fixação Pandrol

Prego de Linha

Superestrutura – Acessório de Fixação

(37)

37

Retensor

Superestrutura – Acessório de Fixação

Retensor

Superestrutura – Acessório de Fixação

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Retensor

Superestrutura – Acessório de Fixação

(39)

39

Tirefond

Placa de apoio

Superestrutura – Acessório de Fixação

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• O dormente é o elemento que fixa os trilhos e mantém a bitola da via

• Transmite ao lastro os esforços recebidos dos trilhos

• Características necessárias aos dormentes

– A espessura de a necessária rigidez, porém com alguma

elasticidade

– Que tenha resistência aos esforços que esteja submetido – Que permita com relativa facilidade o nivelamento do

lastro, socaria, na sua base

– Que resista aos deslocamentos longitudinais e

transversais da via

– Que tenha durabilidade

Superestrutura – Dormente

• Taxa de dormentação - Número médio de dormentes por quilômetro de via permanente

Bitola larga (1,60m)

Linhas quantidade por km espaçamento (cm)

Tronco Valores 1820 55

Limites 1667 60

Subsidiárias Valores 1540 65

(41)

41

• Os dormentes podem ser confeccionados nos seguintes materiais: – Madeira – Aço – Concreto – Material sintético

Superestrutura – Dormente

• Dormentes de Madeira

• A madeira reúne quase todas as qualidades exigidas para o dormente.

• Até o presente, o principal tipo de dormente.

• A introdução dormente de concreto e o de aço visam substituí-lo devido a fatores como a escassez, reflorestamento deficiente e o uso de madeiras de boa qualidade para fins mais nobre e preços mais elevados.

• Os de madeira de lei, difícil de achar hoje em dia, de sucupira chegam a durar 30 anos.

• Relativamente leves: 70kg

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Dormente de Madeira

Superestrutura – Dormente

• Durabilidade dos dormentes de madeira

– Clima;

– Drenagem da Via;

– Peso e velocidade dos trens;

– Época do ano em que a madeira foi cortada ;

– Grau de secagem;

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43

• A vida útil do dormente da madeira é em função de – da resistência ao apodrecimento

– desgaste mecânico.

• O ponto mais vulnerável do dormente é o local de fixação do trilho. • A escolha do dormente de madeira está, portanto, condicionada a

estes fatores:

– Pela sua resistência à destruição mecânica – pela dureza e coesão da madeira;

– Pela sua resistência ao apodrecimento (ação de fungos); – Pela maior ou menor facilidade de obtenção;

– Por razões de ordem econômica.

• Atualmente, só para manutenção tem escolhido o dormente de madeira. Questões ambientais forçam as novas ferrovias a optar pelo de concreto ou o de aço!!!!

Superestrutura – Dormente

• Vantagens dos dormentes de madeira – leves e de fácil manuseio;

– serragem, furação e entalhamento fácil; – fixação fácil dos trilhos e placas de apoio;

– são pouco afetados pelas severas condições de manuseio e de transporte;

– não são atacados por resíduos industriais poluidores da atmosfera;

– possuem valor residual.

(44)

• Desvantagens dos dormentes de madeira – menor vida útil;

– são suscetíveis a ação de fungos, insetos e fogo;

– permitem gradual abertura da bitola e queda das condições da linha pela afrouxamento das fixações com o conseqüente desgaste da via;

– os dormentes especiais para os AMV’s são de preço elevado e de difícil aquisição;

– exigem maior área de armazenagem e secagem quando tratados.

Superestrutura – Dormente

• Fatores que condicionam a escolha do dormente de madeira

– resistência a destruição mecânica (dureza e coesão da

madeira);

– resistência ao apodrecimento;

– maior ou menor facilidade de obtenção (razões

econômicas e ambientais).

(45)

45 Superestrutura – Dormente

Propriedade Relação com a densidade D

Madeira verde (30% Seca ao ar (12% de umidade) umidade) FLEXÃO ESTÁTICA

Tensão no limite de proporcionalidade (kg/cm2₎ _717D1,25 _1170D1,25

Tensão de ruptura (kg/cm2₎ _1240D1,25 _1800D1,25

FLEXÃO DINÂMICA

COMPRESSÃO PARALELA ÀS FIBRAS

Tensão no limite de proporcionalidade (kg/cm2₎ _370D _615D

Tensão de ruptura (kg/cm2₎ _470D _850D

COMPRESSÃO PERPENDICULAR ÀS FIBRAS

Tensão no limite de proporcionalidade (kg/cm2₎ _210D2,25 _326D2,25

DUREZA

No topo (kg) 1360D2,25 _2180D2,25

Lateral (kg) 1550D2,25 _1710D2,25

• Zona de fixação nos dormentes de madeira

– Nos dormentes utilizados em ferrovias de bitola larga é a

região que se estende em 50 cm a partir de 60cm do

meio do dormente;

– •nos dormentes utilizados em ferrovias de bitola métrica,

a região que se estende em 40 cm a partir de 35 cm do

meio do dormente.

(46)

Superestrutura – Dormente

• Propriedades da madeira utilizada

• a madeira a ser empregada na fabricação deve vir de

árvores sadias, abatidas vivas, sendo o corte realizado nos

meses secos. A madeira deve ser de boa qualidade, de

fibras duras e sem excesso de alburno (parte que envolve o

cerne);

(47)

47 • Condições de fabricação dos dormentes de

madeira

• as faces dos dormentes poderão ser lavradas ou serradas,

admitindo-se reentrâncias de até 15mm de profundidade;

• as faces verticais deverão cortar uma das faces horizontais

(a face inferior) segundo um ângulo reto;

• a face inferior deverá apresentar largura constante e arestas

vivas;

• poderão ser tolerados desquinados (arestas mortas) na face

superior desde que fiquem asseguradas as medidas d e r

mínimas.

Superestrutura – Dormente

• As dimensões dos dormentes variam conforme a bitola

Superestrutura – Dormente

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• As dimensões dos dormentes variam conforme a bitola

• (NBR 7511)

comprimento (m) largura (m) altura (m) bitola

min max min max min max

1,000 1,90 2,00 1,435 2,55 2,65 0,22 0,24 0,16 0,17 1,600 2,65 2,80 tolerâncias 0,05 0,01 0,015

• Arestas

Superestrutura – Dormente

Na zona de fixação Fora da zona de fixação bitola 1,60m bitola 1,00m bitola 1,60m bitola 1,00m

(49)

49

• Tolerâncias para os dormentes de madeira

• são tolerados fendilhamentos no topo com 25cm no máximo de comprimento, desde que corrigidos ou contidos pela aplicação de grampos ou cintas anti-rachadura;

• são admitidos nós desde que os mesmos não ultrapassem 2cm de diâmetro e 8cm de profundidade e não se localizem na zona de fixação;

• curvaturas simples e regulares, no plano horizontal, são toleradas desde que as flechas medidas ao longo do comprimento não ultrapassem 6cm. Duplas curvaturas no plano horizontal só serão admitidas se qualquer flecha não ultrapassar 4cm;

Superestrutura – Dormente

• Tolerâncias para os dormentes de madeira

• são admitidos dormentes com curvaturas no plano vertical, desde que qualquer flecha medida ao longo do seu comprimento não ultrapasse 1cm;

• a diferença de altura entre dois pontos quaisquer das faces horizontais não deverá ser superior a 1,5cm.

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• Dormente de aço

• Perfil em U

• Considerado um dormente de material misto, aço e brita • Relativamente leve, 70kg

• Vantagens:

– material perfeitamente homogêneo; – longa vida útil;

– boa resistência aos esforços transversais. • Desvantagens:

– maior dificuldade para socaria e nivelamento; – falta de isolamento elétrico em linhas sinalizadas;

– necessidade de linha com alto padrão de lastro e isenta de impactos na superfície de rolamento.

Superestrutura – Dormente

• Dormente de Aço

(51)

51

• Dormente de Aço

Superestrutura – Dormente

Dormente de aço

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Dormente de aço

Superestrutura – Dormente

Dormente de aço

(53)

53

• Dormente de concreto

• Relativamente pesados de 240kg a 300kg

• Demanda máquinas para assentamento e manutenção

• O concreto e o aço utilizados obedecem as especificações correntes para esses materiais e a fabricação, cura e manuseio das peças são as mesmas dos artefatos de concreto em geral.

Superestrutura – Dormente

• Dormente de Concreto

• Vantagens: – longa vida útil;

– peso elevado, proporcionando mais elasticidade à via; – resistência aos agentes atmosféricos;

– características físicas e mecânicas uniformes; – redução dos custos de manutenção da via.

• Desvantagens:

– necessidade de processo de fabricação apurado;

– dificuldade de transporte e manuseio devido ao peso elevado; – dificuldade de fixação eficaz;

– necessidade de linha com alto padrão de lastro e nivelamento; – perda total em caso de acidente.

(54)

• Dormente de concreto

• Podem ser de três tipos

– Concreto protendido (mais usado em ferrovias de carga) – Mistos ou polibloco – Bi-bloco

Superestrutura – Dormente

Dormente de Concreto Protendido

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55 Superestrutura – Dormente

Dormente de Concreto

Superestrutura – Dormente

Dormente de Concreto

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Superestrutura – Dormente

Dormente de Concreto bi-bloco

• Dormente de Plástico

• podem ser confeccionados a partir de material reciclado;

• possui o mesmo formato dos dormentes de madeira e podem ser usados de modo conjunto na mesma linha;

• produção e aplicação ainda em escala inicial.

(57)

57 Superestrutura – Dormente

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• Vantagens dos dormentes de plástico – vida útil estimada em mais de 50 anos; – mais leve do que o dormente de madeira; – não racha, nem trinca;

– eletricamente não condutivo;

– mantém suas propriedades físicas sem deterioração; – utiliza mesma fixação dos dormentes existentes;

– absorve vibrações preservando o material rodante e a geometria da via;

– impermeável a água;

– impermeável a efeitos biológicos;

– resistente a óleo Diesel, óleo mineral e graxa; – livre de produtos químicos tóxicos;

– 100% reciclável.

• `Desvantagens dos dormentes de plástico

– é destruído pela ação do fogo ou contato com objetos de temperatura elevada;

– pode sofrer concorrência direta dos dormentes de madeira em países com reservas florestais abundantes;

– material feito a partir do petróleo (fonte não renovável) cujo preço

(59)

59

• A Grade da ferrovia é formada pelo dormente mais o trilho e os elementos de fixação

• Ela é preparada antes de se colocar o lastro

– Depois de pronta ela é levantada e coloca-se o lastro e

procede-se a socaria

Superestrutura – Grade

Grade da Ferrovia Desguarnece-dora de lastro

Superestrutura – Grade

(60)

• a superfície final da infraestrutura constitui a chamada plataforma, a qual é formada por solos naturais ou tratados, no caso dos cortes e aterros, ou então por estruturas quaisquer no caso de obras de arte especiais;

• na ferrovia a plataforma é o suporte da estrutura da via e que recebe, através do lastro, as pressões devidas à circulação dos trens;

• a plataforma fornece também espaço para as demais instalações necessárias a operação ferroviária como postes de rede aérea de comunicação, alimentação ou ainda para instalação superficial ou subterrânea de cabos condutores.

• a plataforma tem como função básica proporcionar apoio a superestrutura da via de modo que não sofra deformações que impeçam ou influam negativamente na operação, sob as condições de tráfego que determina o traçado da linha;

• para que o apoio não sofra deformações ou não influa negativamente na operação da ferrovia, é necessário que a plataforma tenha certas características de resistência;

(61)

61

• Em solo natural:

– pode ser usada quando o valor de resistência é atendido;

– os serviços preliminares consistem na roçada, remoção da camada de solo orgânico, regularização;

– se necessário substituição dos materiais das camadas inferiores.

• Em cortes:

– se após a escavação as características geomecânicas atenderem as exigências de resistência e capacidade de deformação, esta será incorporada a plataforma;

– se necessário realizar a substituição dos materiais;

– rocha não é considerada bom material para camadas de lastro inferiores a 30cm;

– plataformas muito rígidas podem conduzir a destruição do lastro, especialmente se o tráfego for predominantemente de vagões pesados.

Superestrutura – (Relembrando Infraestrutura)

• Em solo natural:

– pode ser usada quando o valor de resistência é atendido;

– os serviços preliminares consistem na roçada, remoção da camada de solo orgânico, regularização;

– se necessário substituição dos materiais das camadas inferiores.

• Em cortes:

– se após a escavação as características geomecânicas atenderem as exigências de resistência e capacidade de deformação, esta será incorporada a plataforma;

– se necessário realizar a substituição dos materiais;

– rocha não é considerada bom material para camadas de lastro inferiores a 30cm;

– plataformas muito rígidas podem conduzir a destruição do lastro, especialmente se o tráfego for predominantemente de vagões pesados.

(62)

• O sublastro é o material granular regularmente distribuído entre o lastro e o terrapleno, com a finalidade de

– melhorar a capacidade de suporte da plataforma – Evitar a penetração do lastro na plataforma

– Aumentar a resistência do leito à erosão e a penetração

de água, concorrendo para uma boa drenagem da via

– Permitir relativa elasticidade ao apoio do lastro para que a

via permanente não seja rígida

• Material mais barato que o lastro, o que reduz os custos de construção da VP

Superestrutura – Sublastro

• Material para o sublastro

– IG (Índice de Grupo) = 0 (zero)

– LL (Limite de Liquidez) = máximo de 35 – IP (Índice de Plasticidade) = máximo de 6

(63)

63

• O sublastro deverá ser compactado de modo a obter-se peso específico aparente correspondente a 100% do ensaio de proctor.

• O sublastro usualmente tem altura de 20cm, mas deveria ser calculado para absorver as pressões vindas do lastro e chegar na plataforma com uma taxa de trabalho compatível com o solo da plataforma

Superestrutura – sublastro

• material que se enquadre, de preferência, no grupo A1 de classificação de solos HRB (Highway Research Board):

• A1 Solo bem graduado constituído principalmente de pedregulho e areia, mas contendo pequena quantidade de finos.

• Os solos argilosos (A4 a A7) estão sujeitos a amplas variações na resistência durante os ciclos de secagem e umedecimento, são portanto indesejáveis.

• Os solos mal graduados, como areias finas (A3), são difíceis de serem compactados para alcançar altas densidades

(64)

• É o elemento da superestrutura situado entre os dormentes e a plataforma

• Para a escolha do tipo do lastro deve-se observar

– Fluxo da carga, o tipo de carga, a velocidade do trem e o custo de aquisição

• Deve-se observar também os critérios técnicos para um bom lastro – Resistência; Durabilidade; Estabilidade; Drenabilidade;

Limpeza; Trabalhabilidade; Disponibilidade; Custo

(65)

65

• O lastro tem as seguintes funções:

– Distribuir de forma uniforme sobre a plataforma os esforços resultantes das cargas dos veículos, produzindo uma taxa de trabalho menor na plataforma;

– Impedir os deslocamentos dos dormentes, vertical como horizontalmente;

– Formar um suporte, até certo limite elástico, atenuando as trepidações resultantes da passagens dos veículos rodantes;

– Sobrepondo-se a plataforma, suprimir suas irregularidades, formando uma superfície contínua e uniforme para os dormentes e trilhos; – Impedir os deslocamentos os deslocamentos dos dormentes, quer no

sentido longitudinal e no transversal – Facilitar a drenagem da superestrutura

Superestrutura – Lastro

• Para desempenhar tais funções, o lastro deve ter as seguintes qualidades:

– Suficiente resistência aos esforços transmitidos pelos dormentes;

– Possuir elasticidade limitada para abrandar os choques; – Ter dimensões que permitam sua interposição entre os

dormentes e abaixo dos mesmos; – Ser resistente aos agentes atmosféricos; – Não produzir pó, prejudicial ao material rodante;

– Deve ser francamente permeável para uma boa drenagem.

(66)

• Soca ou socaria

– É o processo de se compactar o lastro por meio manual ou por meio mecanizado.

Superestrutura – Lastro

• Soca ou socaria

(67)

67

• Soca ou socaria C:\DadosRodrigo\MinhasFotos\CefetCariacica\VisitaFundao20062007\ Fundao 064 C:\DadosRodrigo\MinhasFotos\CefetCariacica\VisitaFundao20062007\ Fundao 070

Superestrutura – Lastro

• O material utilizado como lastro pode ser:

– Brita (o melhor!!)

– Escória de

alto forno

/aciaria (A EFVM utilizou

bastante mas teve muito problema)

– Terra

– Cascalho

(68)

Brita

Superestrutura – Lastro

Escória de

aciaria

(69)

69

• As especificações adotadas em nosso país seguem tanto quanto possível as especificações da AREMA (AREMA - American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association). • As pedras do lastro não devem ter grandes dimensões, pois nesse

caso funcionariam como “cunhas” e o nivelamento seria pouco durável.

• Por outro lado, dimensões muito pequenas acarretariam uma rápida “colmatagem” do lastro, perdendo este a sua função drenante.

• As especificações modernas determinam que as pedras do lastro tenham dimensões entre ¾” e 2½” (2 - 6cm).

Superestrutura – Lastro

• AREMA (AREMA - American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association).

• Peso específico mínimo: 2,7

• Resistência à ruptura: 700 kg/cm2 _{(ensaio: cubos de 5 cm de aresta,}

levados a uma máquina de compressão)

• Solubilidade: A pedra não pode ser solúvel (ensaio: 7dm3 de pedra triturada e lavada colocada em um vaso e agitada no período de 48 horas, durante 5 min, cada 12 horas de intervalo – se houver descoloração a pedra é considerada solúvel e imprópria)

• Absorção: o aumento de peso por absorção de água de uma amostra de 230 g, quando mergulhada em água durante certo tempo, não deve ultrapassar 1% (pelo método MB 8 da ABNT).

(70)

• AREMA (AREMA - American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association).

• Substâncias nocivas: a quantidade de substâncias nocivas e torrões de argila não deve ultrapassar 1%.

• Granulometria: pedras do lastro devem ter dimensões entre 2 e 6 cm

Superestrutura – Lastro

Percentagens acumuladas nas peneiras

Graduação 63,5mm 50mm 38mm 25mm 19mm 12,7mm 50mm a 25mm 0 0-5 35-65 85-100 90-100 95-100

• Especificações do lastro:

– massa específica ≥ 2,7 g/cm3

– coeficiente de desgaste Los Angeles ≤ 35%

– amostra: 5Kg (limpa e seca); 12 esferas de aço; 30 a 33 rpm; 500 revoluções

– após, passa-se o material na peneira #12 (1,68 mm) e pesa-se a quantidade retida

(71)

71 Superestrutura – Lastro

(72)

Superestrutura – Lastro

• Para preencher o formulário para a análise granulométrica, usa-se a porcentagens acumuladas retidas

• Altura do Lastro

– Os estudos de Talbot

• diagrama de distribuição de pressões no lastro • bulbo de distribuição de pressões

• As percentagens representam a pressão média na face inferior do dormente em contato com o lastro

(73)

73

• Gráfico de Talbot

Superestrutura – Lastro

– P0= pressão média na face inferior do dormente (Kg/cm2)

– Ph= pressão a uma profundidade qualquer (Kg/cm2)

Superestrutura – Lastro

100 % o h P P K = Po Ph h

(74)

Superestrutura – Lastro

– Segundo Talbot

• Ph= pressão a uma profundidade h (Kg/cm2)

Superestrutura – Lastro

o h P h P =53₁,_,87₂₅ Po Ph h

(75)

75

– Determinação de P0

• Pc= carga a ser considerada sobre o dormente

• b = largura do dormente (cm)

• c = faixa de socaria (cm) - varia de 70 a 80 cm para bitola métrica e de 80 a 90 cm, para bitola larga

Superestrutura – Lastro

c x b P P c o = Po P_h h P_c 150 Curso de Engenharia Civil - Estradas de Ferro – Departamento de Produção - Prof. Dr. Rodrigo de Alvarenga Rosa

Pr- peso da roda mais pesada, Cd - Coeficiente

dinâmico

d - distância entre eixos da locomotiva, a - distância entre centros dos dormentes

V - velocidade em km/h; como esta fórmula foi definida antigamente, adota-se 1,4 como valor mínimo para Cd

Superestrutura – Lastro

d C n P P r c = a d n= 000 . 30 1 2 V Cd = +

(76)

• Tensão admissível no sublastro

Ps- pressão de ruptura do sublastro

cs- coeficiente de segurança que varia entre 5 e 6

Ph- pressão a uma profundidade h (Kg/cm2)

- tensão admissível no sublastro (Kg/cm2₎

Superestrutura – Lastro

P

_h

≤

s s h c p p = 100 70 CBR p_s = P

Exemplo do cálculo da altura do lastro

Dimensionar a altura do lastro sabendo-se os seguintes dados: Peso por eixo - 20 toneladas

Dimensão dos dormentes - 2,00 x 0,20 x 0,16 Coeficiente dinâmico ou coeficiente de impacto - 1,4 Faixa de socaria - 70 cm

Distância entre eixos da locomotiva - 2,20 m

(77)

77

Solução

1) a = distância entre o centro dos dormente = 1000/1750 = 0,57

2) n = distância entre eixo / a n = 2,20 / 0,57 = 3,86

3)

Pr - peso da roda mais pesada (20 x 1000) / 2 = 10000 dica: 20 ton/eixo, cada eixo 2 rodas, cada ton = 1000kg Pc = (10000/3,86) x 1,4 = 3.627 kg

Superestrutura – Lastro

d C n P P r c = 154 Curso de Engenharia Civil - Estradas de Ferro – Departamento de Produção - Prof. Dr. Rodrigo de Alvarenga Rosa

Solução 4)

b - largura do dormente; c - faixa de socaria Po = 3627 / (20 x 70) = 2,591 kg/cm2 5) ps = 70 x 20 / 100 = 14 kg/cm2

Superestrutura – Lastro

c x b P P c o =

100 70 CBR

p

s

=

(78)

Solução 6) = 14 / 5,5 = 2,55 kg/cm2 7) = (53,87 / h1,25_{) . P} o 2,55 = (53,87 / h1,25_{) . 2,591} h = 24,7 = 25cm

Superestrutura – Lastro

h

P

o h P h P =53₁,_,87₂₅ s s h

c

p

=

h

p

Outra Solução (pelo gráfico)

Depois do passo 4, com os valores de Ph e Po pode-se calcular K%

K% = (2,55 / 2,591) x 100 = 98,4%

Superestrutura – Lastro

100 % o h P P K =

(79)

79

Valor da pressão admissível no sublastro

Superestrutura – Lastro

Solução

Na prática pode-se admitir a distribuição da pressão na plataforma. supondo uma altura de 20 cm do sublastro.

Tem-se a pressão na plataforma da ferrovia:

Ph= (53,93 / (20 + 25)1,25) x 2,591 = 1,2 kg/cm2

O que é um valor razoável para terrenos compactados a 100%

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• Metodologia para dimensionamento da camada de lastro 1. Definir os parâmetros básicos da EF:

– bitola;

– espaçamento entre dormentes; – carga total máxima por veículo;

– afastamento entre duas rodas consecutivas; – velocidade operacional;

2. Determinar a carga dinâmica (Cd);

3. Determinar a pressão sob a face inferior do dormente (Po);

4. Determinar pressão admissível (Ps) para o material a ser utilizado no

sublastro;

5. Determinar a altura da camada de lastro.

6. Fazer os cálculos para a camada de sublastro para ver se a resistência de ruptura da plataforma suporta a carga

Superestrutura – Lastro

• Processo de distribuição do lastro na ferrovia

• Vídeo:

C:\DadosRodrigo\MinhasFotos\CefetCariacica\VisitaFundao2006200 7/\Fundao 11.avi

• C:\DadosRodrigo\MinhasFotos\CefetCariacica\VisitaFundao2006200

(81)

81 Superestrutura – Lastro

• Limites para dimensionamento da seção

– o lastro não deverá cobrir os dormentes, sendo coroado a 5cm da face superior. No caso de dormente de concreto com blocos ligados por tirante metálico, o lastro deve ficar 2cm abaixo do tirante, observando o coroamento de 5cm;

– a soca deve abranger para cada lado do eixo dos trilhos sob os dormentes, no mínimo 40cm para as bitolas larga e normal e 30cm para bitola estreita;

– a faixa central não atingida pela soca terá, pelo menos, 30 a 40cm de largura.

– a capacidade de suporte da plataforma não deverá ser excedida pela pressão transmitida pelo lastro, o qual terá espessura suficiente para uniformizá-la;

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– a ombreira terá largura adequada a estabilidade da via,

recomendando-se 30cm para as vias com trilhos longos soldados (TLS), 20cm para as vias com alta densidade de tráfego sem TLS e 15cm para as demais.

– o talude do lastro não terá inclinação superior a 1:1,5 (altura:base); – a altura da camada de lastro sob os dormentes deve variar entre

40cm e 20cm nas linhas de bitola larga e normal e entre 30cm e 15cm nas linhas de bitola estreita;

– em linhas de grande solicitação, seja pela carga ou pela

velocidade, a espessura poderá ser aumentada até atingir o valor do afastamento face a face dos dormentes, usando então uma camada de brita graduada (lastro) e uma de sub lastro com material de menor granulômetria;

Superestrutura – Lastro

– quando a altura da camada lastro calculada ultrapassar a altura recomendada para a classe da linha, pode ser utilizado, por medida econômica, material de categoria inferior como sublastro, desde que ofereça boa condição de drenagem e tenha capacidade de suporte para a pressão que deve ser transmitida.

(83)

83

• Aspectos construtivos

– a escolha do material para lastro deve obedecer ao critério econômico, observados os dispositivos das normas técnicas; – o lastro ou sub lastro somente deve ser lançado sobre a plataforma

devidamente regularizada, nivelada, compactada, abaulada e que apresente adequada condição de drenagem;

– a soca do lastro deve ser executada preferencialmente por processo mecânico e ser feita, em qualquer caso em camadas de aproximadamente 15cm, sendo recomendado até reduzir este valor para 10cm em linhas de grande responsabilidade.

Superestrutura – Lastro

Uma estrada de ferro com extensão de 200km será construída em bitola larga para escoar a produção de minério de ferro. Determine a altura da camada de lastro necessária sob os dormentes. Faça também a

representação da seção tipo e determine o volume de material necessário para a execução da obra.

Carga total por vagão= 119000kg Velocidade operacional= 70km/h Número de eixos por veículo = 4 Distância entre eixos = 2m

CBR plataforma = 18,5% Coeficiente NS = 5,5

Soca = 40cm para cada lado do eixo dos trilhos Ombreira 30cm

Espaçamento entre dormentes = 55cm = 1820 dorm/km Dimensões do dormente 2,8 x 0,24 x 0,17m

Inclinação talude = 1:1,5

Fator majoração sobre a compactação = 10%

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Uma estrada de ferro com extensão de 200km será construída em bitola larga para escoar a produção de minério de ferro. Determine a altura da camada de lastro necessária sob os dormentes. Faça também a

representação da seção tipo e determine o volume de material necessário para a execução da obra.

Carga total por vagão= 119000kg Velocidade operacional= 70km/h Número de eixos por veículo = 4 Distância entre eixos = 2m

CBR plataforma = 18,5% Coeficiente NS = 5,5

Soca = 40cm para cada lado do eixo dos trilhos Ombreira 30cm

Espaçamento entre dormentes = 55cm = 1820 dorm/km Dimensões do dormente 2,8 x 0,24 x 0,17m

Inclinação talude = 1:1,5

Fator majoração sobre a compactação = 10%

Determine a altura da camada de lastro para uma ferrovia de bitola estreita e 350km de extensão destinada ao transporte de produtos

agrícolas e carga geral. Represente a seção tipo e determine o volume de material necessário.

Carga total por vagão= 90.000kg Velocidade operacional= 70km/h Número de eixos por veículo = 4 Distância entre eixos = 1,574m CBR sublastro = 30%

Coeficiente NS = 5,5