AVALIAÇÃO DO EFEITO DA VARIAÇÃO DA UMIDADE NO COMPORTAMENTO MECANÍSTICO DE UM TRECHO DA

(1)

MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE TRANSPORTES

PRISCILA CELEBRINI DE OLIVEIRA CAMPOS

AVALIAÇÃO DO EFEITO DA VARIAÇÃO DA UMIDADE NO COMPORTAMENTO MECANÍSTICO DE UM TRECHO DA

ESTRADA DE FERRO CARAJÁS

Rio de Janeiro

2019

(2)

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

PRISCILA CELEBRINI DE OLIVEIRA CAMPOS

AVALIAÇÃO DO EFEITO DA VARIAÇÃO DA UMIDADE NO COMPORTAMENTO MECANÍSTICO DE UM TRECHO DA ESTRADA

DE FERRO CARAJÁS

Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de Transportes do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia de Transportes.

Orientador: Prof. Ben-Hur de Albuquerque e Silva - D.Sc.

Co-orientadora: Prof^a. Maria Esther Soares Marques - D.Sc.

Rio de Janeiro 2019

(3)

2

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha Rio de Janeiro – RJ CEP: 22290-270

Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfonar ou adotar qualquer outro modo de arquivamento.

É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão deste trabalho entre bibliotecas, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para fins de pesquisa acadêmica. Inclui-se nessa permissão comentários e citações, desde que não haja finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do autor e do orientador.

Campos, Priscila Celebrini de Oliveira

Avaliação do efeito da variação da umidade no comportamento mecanístico de um trecho da Estrada de Ferro Carajás/ Priscila Celebrini de Oliveira Campos. – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2019.

200 p. f.. : il, graf., tab. : - cm.

Dissertação (Mestrado) – Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2019.

1. Curso de Engenharia de Transportes – teses e dissertações. 2.

Pavimentação. 3. Ferrovias. 4. Geotecnia. I. Silva, Ben-Hur de Albuquerque e. II. Marques, Maria Esther Soares. III. Instituto Militar de Engenharia.

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3

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4

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao meu Deus, por me conceder o prazer de contemplar o dom da vida, à minha Nossa Senhora, pela intercessão em todos os meus caminhos; à minha mãe Márcia, pela graça de encontrar em seu colo o meu porto seguro e pelo apoio incondicional em todos os momentos da minha vida, ao meu pai José Américo, pelo exemplo de vida, dedicação e incentivo; e à minha querida irmã Monique por toda a força e apoio que me inspira.

À minha avó Leontina, aos meus falecidos avós Darcy e Amerisa, meus amados tios Gentil, Ivete, Guilherme, Valéria, Girlando e Maria Cristrina e meus primos que com muito carinho contribuíram para eu chegar até aqui.

Ao meu orientador e amigo TC Ben-Hur por todos ensinamentos, e pelo estimável apoio, amparo e incentivo durante todo o curso.

À minha co-orientadora e amiga Profª. Esther por todos ensinamentos, companheirismo, incentivo e amizade.

Ao Cel Álvaro por ter aceitado participar desta banca, por todas discussões realizadas nos seminários de acompanhamento e pelas demais contribuições a esta pesquisa.

Ao Sr. Spada por ter aceitado participar desta banca, por todas as contribuições realizadas nas reuniões e todo o material disponibilizado para esta pesquisa.

Ao Sr. Muniz e a todos da MUNIZ & SPADA pelo apoio a este estudo, e pelos materiais e informações concedidos.

Ao Sr. Bruno e a todos do Laboratório Pattrol por terem me acolhido no laboratório em Belo Horizonte e me dado todo apoio durante minha jornada de trabalho.

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela bolsa de estudo concedida.

A todos professores da SE/2 do Instituto Militar de Engenharia que somaram sabedoria a esta jornada.

Ao Cel Julio da SE/4 pela ajuda e pelos ensinamentos durante a realização de ensaios.

Aos Sgts Dias, Gonçalves e Alexandre que sempre se dispuseram a ajudar.

À querida amiga e professora Maysa pelo apoio, por ter me apresentado a área de transportes e por ter me incentivado a ingressar no Instituto Militar de Engenharia.

Às minhas madrinhas Ângela, Denise e Valéria pelas inúmeras intercessões.

Ao meu amigo e professor Job por todo incentivo e todos os conhecimentos repassados que contribuíram com este estudo.

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5

Aos meus amigos Rafaela, Isla, Dona Eunice, Gabriel, Dienifer, Samara, Breno, Luísa, Wemerson, Estevão, Victor, Fernanda, Larissa e Lia pela amizade, carinho e ombro amigo.

Aos meus colegas de turma Fernanda, João Bosco, Walmor, Thiago, Lucas, Jean, Laila, Gustavo, Eduardo, João e Caio, à Mariana e à Helena pela alegria de ter compartilhado a companhia durante os anos de curso.

À Isabel e ao meu companheiro Igor pelo apoio incondicional, pelas noites em claro e por estarem ao meu lado, com seus amparos e incentivos nos momentos mais difíceis deste trabalho.

E a todos que sempre me apoiaram e contribuíram para que hoje eu pudesse estar aqui!

(7)

6

“O solo é o mais antigo, mais usado, mais complexo, e mais desconhecido dos materiais de construção”.

PROF. WLASTERMILER DE SENÇO

(8)

7 SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES.....10

LISTA DE TABELAS.....14

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ... 17

LISTA DE SIGLAS...

.

...19

1 INTRODUÇÃO...

.

.....23

1.1 Considerações Iniciais ... 23

1.2 Objetivo ... 25

1.2.1 Objetivo Geral ... 25

1.2.2 Objetivos Específicos ... 25

1.3 Justificativa ... 25

1.4 Estrutura do Trabalho ... 26

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 28

2.1 Mecânica dos Pavimentos Ferroviários ... 30

2.1.1 Vigas Contínuas sobre Apoio Elástico ... 31

2.1.2 Via Férrea como um Sistema em Camadas ... 34

2.1.3 Modelagem Computacional do Pavimento Ferroviário ... 36

2.2 Solos Brasileiros ... 41

2.2.1 Formação de Solos Tropicais e Suas Peculiaridades ... 42

2.2.2 Classificação dos Solos ... 46

2.3 Investigações Geotécnicas ... 47

2.3.1 Cbr In Situ... 48

2.3.2 Dynamic Cone Penetrometer (DCP) ... 49

2.3.3 Correlações ... 50

2.4 Ensaios Triaxiais de Carga Repetida ... 54

2.4.1 Módulo De Resiliência ... 55

2.4.2 Deformação Permanente ... 57

2.5 Ação do Clima sobre o Subleito Ferroviario ... 59

(9)

8

3 ANÁLISE DOS ESTUDOS GEOTÉCNICOS EXISTENTES ... 63

3.1 Descrição Da Estrada De Ferro Carajás – EFC ... 63

3.1.1 Localização ... 63

3.1.2 Clima, Hidrogeomorfologia E Pedologia ... 64

3.1.3 Operação E Expansão Da EFC ... 67

3.2 Programação Das Investigações ... 69

3.3 Investigações Geotécnicas Na Estrada de Ferro Carajás ... 70

3.3.1 Inspeção E Caracterização Dos Materiais ... 70

3.3.2 Ensaios Dcp, Definição Das Seções Do Pavimento E Coleta Das Amostras Indeformadas ... 71

3.3.3 Ensaio De Deformação Permanente ... 72

3.4 Definição Da Área Em Estudo ... 73

4 PROGRAMA EXPERIMENTAL E MODELAGEM NUMÉRICA ... 76

4.1 Características Do Trecho Em Estudo ... 76

4.1.1 Seção Típica Do Pavimento Ferroviário ... 77

4.1.2 Aspectos Fisiográficos, Hidrogeológicos E Pedológicos ... 77

4.2 Caracterização Geotécnica ... 83

4.2.1 Classificação Tradicional ... 84

4.2.2 Método De Classificação De Solos Tropicais ... 85

4.3 Caracterização Mecânica Das Amostras Indeformadas ... 87

4.3.1 Preparação Dos Corpos-De-Prova ... 87

4.3.2 Módulo De Resiliência ... 95

4.3.3 Ensaio De Deformação Permanente ... 98

4.4 Ensaios Complementares ... 99

4.5 Simulação Computacional ... 101

4.5.1 Configuração Do Pavimento ... 102

4.5.2 Carregamento ... 103

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 108

5.1 Caracterização Geotécnica ... 108

5.2 Análise Dos Módulos De Resiliência ... 110

5.3 Deformação Permanente ... 123

(10)

9

5.4 Análise Microscópica E Mineralógica ... 126

5.5 Modelagem Numérica ... 129

5.5.1 Avaliação Da Tensão Admissível No Subleito ... 137

6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES FUTURAS ... 144

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 147

8 APÊNDICES...160

8.1 APÊNDICE 1 – Relação De Procedimentos E Ensaios ... 161

8.2 APÊNDICE 2 – Resultados Do Ensaio Do Método Das Pastilhas Modificado .... 162

8.3 APÊNDICE 3 – Controle De Umidade Do Corpo-De-Prova A1C1 ... 163

9 ANEXOS...171

9.1 ANEXO 1 – Mapa Das Locações Da Efc ... 172

9.2 ANEXO 2 – Relação Das Amostras Indeformadas ... 173

9.3 ANEXO 3 – Resultados Dos Ensaios De Deformação Permanente ... 175

9.4 ANEXO 4 – Compilado Dos Ensaios Realizados No Pátio 05 ... 177

(11)

10

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIG. 2.1 Componentes da Via Permanente Ferroviária ... 28

FIG. 2.2 Gráfico de Talbot. ... 33

FIG. 2.3 Esquema geral de distribuição de cargas no sistema em camadas. ... 35

FIG. 2.4 Malha de elementos finitos do FERROVIA. ... 38

FIG. 2.5 Mapa mostrando a distribuição dos solos segundo o SiBCS. ... 41

FIG. 2.6 Perfil de um solo tropical. ... 43

FIG. 2.7 Comparativo de imagens microscópicas de um solo laterítico (a) e de um não- laterítico (b) em um aumento de 3000x. ... 44

FIG. 2.8 Registro oscilográfico do ensaio de cargas repetidas. ... 55

FIG. 2.9 Resposta do solo quando submetido ao carregamento cíclico. ... 58

FIG. 2.10 Variação do módulo de resiliência x variação da umidade de ensaio. ... 61

FIG. 3.1 Mapa Climático da Estrada de Ferro Carajás de acordo com a classificação climática de Köppen (WGS-84, EPSG: 4326). ... 64

FIG. 3.2 Mapa Hidrogeológico da Estrada de Ferro Carajás (WGS-84, EPSG: 4326). ... 66

FIG. 3.3 Mapa Pedológico da Estrada de Ferro Carajás (WGS-84, EPSG: 4326). ... 67

FIG. 3.4 Interligação dos pátios de cruzamento com as duplicações: a) linha existente; b) processo de remodelação e duplicação; c) extinção das linhas dos pátios de cruzamento; d) nova via duplicada. ... 68

FIG. 3.5 Esquema do programa de investigações geotécnicas. ... 70

FIG. 3.6 Locações para investigações geotécnicas: a) desvio ferroviário; b) taludes existentes nas margens da EFC. ... 71

FIG. 3.7 Ensaio DCP realizado fora da área do gabarito. ... 72

FIG. 3.8 Frações constituintes da granulometria do subleito dos Pátios 05, 14 e 22. ... 74

FIG. 3.9 Procedimento de coleta das amostras indeformadas: (a) moldagem da amostra 1; (b) moldagem da amostra 2; (c) processo de acondicionamento da amostra 1; (d) amostra acondicionada em bloco para envio para o laboratório. ... 75

FIG. 4.1 Localização do Pátio 14 - Pindaré-Mirim (WGS-84, EPSG: 4326). ... 76

FIG. 4.2 Seção típica do pavimento ferroviário do Pátio 14. ... 77

FIG. 4.3 Mapa Climático de Pindaré-Mirim de acordo com a classificação climática de Köppen (WGS-84, EPSG: 4326). ... 78

(12)

11

FIG. 4.4 Climatologia de precipitação e temperatura - série histórica. ... 79

FIG. 4.5 Mapa Hidrográfico de Pindaré-Mirim (WGS-84, EPSG: 4326). ... 80

FIG. 4.6 Mapa de Aquíferos Aflorantes de Pindaré-Mirim (WGS-84, EPSG: 4326). ... 81

FIG. 4.7 Mapa Pedológico de Pindaré-Mirim (WGS-84, EPSG: 4326). ... 82

FIG. 4.8 Seção típica de um Plintossolo exemplo da amostra em estudo. ... 83

FIG. 4.9 (a) 11909 km 216 + 143; (b) 11910 km 216 + 180; (c)11911 km 216 + 218. ... 83

FIG. 4.10 (a) preparação das amostras; (b) conjunto de peneiras usadas; (c) ensaio de sedimentação; (d) solo após ensaio do índice de plasticidade. ... 84

FIG. 4.11 Ensaio Mini-MCV: (a) amostra separada para o umedecimento; (b) cilindros para preparação da amostra; (c) equipamento de compactação Mini-Proctor. ... 85

FIG. 4.12 Ensaio de perda de massa por imersão: (a) cilindros para submersão em água; (b) perda de massa das amostras após 24 horas de imersão. ... 86

FIG. 4.13 Método de avaliação expedito: (a) esferas e pastilhas após secagem; (b) medição da resistência à penetração pelo penetrômetro padrão após absorção. ... 87

FIG. 4.14 (a) abertura do bloco indeformado; (b) moldagem manual do CP pelo método da talhagem; (c) seção do corpo-de-prova; (d) CP moldado. ... 88

FIG. 4.15 Identificação dos corpos-de-prova. ... 89

FIG. 4.16 Sistema de indução por capilaridade. ... 90

FIG. 4.17 “Teor de umidade x Tempo de ensaio” - Amostras em condição seca. ... 91

FIG. 4.18 (a) perda de massa nas bordas inferiores; (b) reabastecimento do sistema. ... 92

FIG. 4.19 “Teor de umidade x Tempo de ensaio” - Amostras em umidade natural. ... 93

FIG. 4.20 “Teor de umidade x Tempo de ensaio” - Amostras saturadas ... 94

FIG. 4.21 (a) corpo-de-prova amostra A3C2; (b) corpo-de-prova na célula do triaxial cíclico; (c) equipamento preparado para início do ensaio ... 96

FIG. 4.22 Esquema dos procedimentos dos ensaios de módulo de resiliência. ... 97

FIG. 4.23 Pontos de retiradas de amostras da estrutura original para ensaios de MEV e EDS. ... 100

FIG. 4.24 Pinos preparados para o ensaio: AM 01, AM 02, AM 03 E AM 04. ... 100

FIG. 4.25 Esquema de simulações para três carregamentos: 32,5 tf/eixo, 36,0 tf/eixo e 40,0 tf/eixo; totalizando 54 modelagens numéricas. ... 101

FIG. 4.26 Configuração do pavimento adotado. ... 101

FIG. 4.27 Esquema da locomotiva ... 104

FIG. 4.28 Esquema da composição de dois vagões ... 104

(13)

12

FIG. 4.29 Desenho esquemático de aplicação de cargas de 23,24 tf/roda. ... 105 FIG. 4.30 Desenho esquemático de aplicação de cargas de 25,74 tf/roda. ... 106 FIG. 4.31 Desenho esquemático de aplicação de cargas de 28,60 tf/roda. ... 106

FIG. 5.1 Curva granulométrica das amostras ensaiadas.

... 109 FIG. 5.2 Módulo de resiliência das amostras em função da tensão desvio.

... 113 FIG. 5.3 Módulo de resiliência das amostras em função da tensão confinante.

... 114 FIG. 5.4 MR em função da tensão desvio e da tensão confinante para amostra A1C1 conforme a equação MR= k1.σ3k2.σdk3, sendo k1 = 245,1445, k2 = 0,5894 e k3 = 0,0588. ... 115 FIG. 5.5 MR em função da tensão desvio e da tensão confinante para amostra A2C1 conforme a equação MR= k1.σ3k2.σdk3, sendo k1 = 137,4638, k2 = 0,5846 e k3 = - 0,0443. ... 115 FIG. 5.6 MR em função da tensão desvio e da tensão confinante para amostra A3C1 conforme a equação MR= k1.σ3k2.σdk3, sendo k1 = 183,9755, k2 = 0,4172 e k3 = 0,1790. ... 116 FIG. 5.7 MR em função da tensão desvio e da tensão confinante para amostra A1C2 conforme a equação MR= k1.σ3k2.σdk3, sendo k1 = 180,8258, k2 = 0,5044 e k3 = 0,0271. ... 116 FIG. 5.8 MR em função da tensão desvio e da tensão confinante para amostra A2C2 conforme a equação MR= k1.σ3k2.σdk3, sendo k1 = 190,8945 k2 = 0,5381 e k3 = 0,0515. ... 117 FIG. 5.9 MR em função da tensão desvio e da tensão confinante para amostra A3C2 conforme a equação MR= k1.σ3k2.σdk3, sendo k1 = 134,3305, k2 = 0,1731 e k3 = 0,0980. ... 117 FIG. 5.10 MR em função da tensão desvio e da tensão confinante para amostra A1C3 conforme a equação MR= k1.σ3k2.σdk3, sendo k1 = 515,5590, k2 = 0,3154 e k3 = 0,1941. ... 118 FIG. 5.11 MR em função da tensão desvio e da tensão confinante para amostra A2C3 conforme a equação MR= k1.σ3k2.σdk3, sendo k1 = 350,0908, k2 = 0,2165 e k3 = 0,2152. ... 118

(14)

13

FIG. 5.12 MR em função da tensão desvio e da tensão confinante para amostra A3C3 conforme a equação MR= k1.σ3k2.σdk3, sendo k1 = 667,4363, k2 = 0,3347 e k3 =

0,3365. ... 119

FIG. 5.13 Correlação entre MR e DCP segundo formulações de ANGELONE et al. (1991) e MOHAMMAD et al. (2007) e os resultados obtidos pelo estudo. ... 122

FIG. 5.14 Deformação permanente específica para amostras em umidade natural e saturada conforme número de ciclos. ... 123

FIG. 5.15 Enquadramento do “shakedown” no Modelo de Dawson e Wellner. ... 124

FIG. 5.16 Microscopia da Amostra 01 sob as aproximações de 100x, 1000x e 10000x. ... 126

FIG. 5.17 Microscopia da Amostra 02 sob as aproximações de 100x, 1000x e 10000x. .... 126

FIG. 5.20 Ensaio EDS da Amostra 01. ... 128

FIG. 5.24 Seção transversal e longitudinal típica do pavimento ... 137

FIG. 5.25 Esquema de propagação de tensões conforme o aumento da profundidade exemplo da simulação de locomotiva para análise longitudinal de 46,48 tf/eixo. ... 142

FIG. 9.1 Composição Granulométrica das Amostras do Pátio 05. ... 177

(15)

14

LISTA DE TABELAS

TAB. 2.1 Correlações internacionais entre CBR e DCP em função do tipo de material ... 52

TAB. 3.1 Amostras existentes para os pátios selecionados. ... 73

TAB. 3.2 Identificação do procedimento de coleta das amostras ... 75

TAB. 4.1 Resumo da condição de umidade e saturação para cada amostra. ... 89

TAB. 4.2 Resumo da condição de umidade e saturação para cada amostra antes e após o controle da umidade a ser ensaiada ... 95

TAB. 4.3 Sequência de tensões para a fase de condicionamento. ... 96

TAB. 4.4 Sequência de tensões para a determinação do módulo de resiliência. ... 98

TAB. 4.5 Pares de tensões principais usados no ensaio triaxial para deformação permanente. ... 99

TAB. 4.6 Dados de entrada de “Grade” para simulação no FERROVIA 3.0. ... 102

TAB. 4.7 Dados de entrada de “Fundação” para simulação no FERROVIA 3.0. ... 103

TAB. 4.8 Carregamento majorado pelo coeficiente dinâmico ... 105

TAB. 4.9 Número do ponto nodal no meio discretizado para locomotiva. ... 107

TAB. 4.10 Número do ponto nodal no meio discretizado para vagão. ... 107

TAB. 5.1 Caracterização geotécnica tradicional das amostras. ... 108

TAB. 5.2 Classificação das amostras segundo Método MCT e expedito. ... 110

TAB. 5.3 Valores dos parâmetros para os modelos potenciais σd, σ3 e composto. ... 111

TAB. 5.4 Correlação entre o módulo de resiliência e as variáveis para os corpos-de-prova ensaiados. ... 111

TAB. 5.5 Análise estatística dos parâmetros k1, k2 e k3 do modelo composto. ... 119

TAB. 5.6 Resumo dos resultados de módulo de resiliência ... 120

TAB. 5.7 Resumo dos resultados de módulo de resiliência para o estado de tensões da via ... 121

TAB. 5.8 Resumo dos resultados do ensaio de deformação permanente. ... 125

TAB. 5.9 Previsão da deformação permanente ao longo dos anos. ... 125

TAB. 5.10 Parâmetros k1 e k2 para modelagem do módulo de resiliência do subleito conforme condição de umidade ensaiada (modelo granular). ... 130

TAB. 5.11 Verificação das pressões médias na interface dormente e lastro para truque de dois vagões subsequentes e locomotiva. ... 132

(16)

15

TAB. 5.12 Comparação da variação da pressão na interface dormente e lastro conforme a

umidade e o aumento do carregamento. ... 132

TAB. 5.13 Verificação das deflexões médias no lastro e nos trilhos para truque de dois vagões subsequentes e locomotiva. ... 134

TAB. 5.14 Comparação da variação da deflexão no lastro e nos trilhos conforme a umidade e o aumento do carregamento. ... 134

TAB. 5.15 Verificação das tensões médias no trilho e no dormente para truque de dois vagões subsequentes e locomotiva. ... 136

TAB. 5.16 Comparação da variação da tensão no trilho e no dormente conforme a umidade e o aumento do carregamento. ... 136

TAB. 5.17 Parâmetros para cálculo da tensão admissível nas camadas do pavimento. ... 138

TAB. 5.18 Verificação da capacidade de suporte do subleito para truque de dois vagões subsequentes e de uma locomotiva e para carregamento de 46,48 tf/eixo conforme seção longitudinal. ... 139

TAB. 5.19 Verificação da capacidade de suporte do subleito para truque de dois vagões subsequentes e de uma locomotiva e para carregamento de 46,48 tf/eixo conforme seção transversal. ... 139

TAB. 5.20 Verificação da capacidade de suporte do subleito para truque de dois vagões subsequentes e de uma locomotiva e para carregamento de 51,48 tf/eixo conforme seção longitudinal. ... 140

TAB. 5.21 Verificação da capacidade de suporte do subleito para truque de dois vagões subsequentes e de uma locomotiva e para carregamento de 51,48 tf/eixo para seção transversal. ... 140

TAB. 5.22 Verificação da capacidade de suporte do subleito para truque de dois vagões subsequentes e de uma locomotiva e para carregamento de 57,20 tf/eixo para seção longitudinal. ... 141

TAB. 5.23 Verificação da capacidade de suporte do subleito para truque de dois vagões subsequentes e de uma locomotiva e para carregamento de 57,20 tf/eixo para seção transversal. ... 141

TAB. 8.1 Procedimentos e ensaios relacionados ao estudo. ... 161

TAB. 9.1 Resultados dos Ensaios de Deformação Permanente. ... 175

TAB. 9.2 Ensaio de DCP do Pátio 05. ... 177

(17)

16

(18)

17

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

ABREVIATURAS

CP Corpo-de-prova

Var. - Variação

SÍMBOLOS

 - ângulo de atrito

 - peso específico do solo

D - tensão máxima no dormente devido à flexão

SL - tensão vertical máxima no subleito

T - deflexão máxima no trilho

T - tensão máxima no trilho devido à flexão C_𝑑 - parcela elástica do deslocamento vertical D_w - diâmetro da roda

q_últ - capacidade de carga última do subleito γ_d - peso específico aparente seco

σ_{SL adm} - tensão admissível máxima suportada pelo subleito 2KAlSi₃O₈ - feldspato potássico

Al³⁺ - íon alumínio

C - coeficiente de Winkler

c - coesão

Fe³⁺ - íon ferro

k𝑓 - coeficiente de rigidez O^2- - íon oxigênio

OH^- - hidroxila ou ânion OH p - força por unidade de área

pC - pressão máxima na interface dormente de concreto/lastro R² - coeficiente de correlação

(19)

18 ur - módulo de via

V - velocidade de projeto w - teor de umidade

y - deflexão

ΔH - parcela elástica do deslocamento vertical εp - deformação permanente

εr - deformação específica resiliente axial ou específica σ3 - tensão confinante

σd - tensão de desvio

(20)

19

LISTA DE SIGLAS

AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials AREA American Railyway Engineering Association

ANTF Associação Nacional dos Transportadores Ferroviários ANTT Agência Nacional de Transportes Terrestres

CBR California Bearing Ratio

DCP Dynamic Cone Penetrometer

DER Departamento Estadual de Estradas de Rodagens DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagens

DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes

DP Deformação Permanente

EDS Espectroscopia de Raios-x por Dispersão em Energia ECP Ensaio de Carga sobre Placas

EFC Estrada de Ferro Carajás

EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária FLAPS Finite Layer Analysis of Pavement Structures

HRB Highway Research Board

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística LVDT Linear Variable Differential Transformer LWD Light Weight Deflectometer

MCT Metodologia, Compactação, Tropical MDF Método de Diferenças Finitas

MED Método dos Elementos Discretos MEF Método dos Elementos Finitos MEV Ensaio Microscopia Eletrônica MR Módulo de Resiliência

PIB Produto Interno Bruto

RCM Reliability Centered Maintenance RFFSA Rede Ferroviária Federal S.A.

SiBCS Sistema Brasileiro de Classificação de Solos SUCS Sistema Unificado de Classificação de Solos

(21)

20 TFCJ Terminal Ferroviário de Carajás

TFPM Terminal Ferroviário Ponta da Madeira

TU Toneladas Úteis

USCS Unified Soil Classification System

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21 RESUMO

O objetivo principal desta pesquisa foi avaliar o efeito da variação da umidade do subleito no comportamento mecanístico de um trecho homogêneo da Estrada de Ferro Carajás. Das oitenta e sete amostras indeformadas disponíveis, foram selecionadas três amostras para a caracterização geotécnica tradicional, método MCT e ensaios de Módulo de Resiliência e Deformação Permanente. Os solos foram classificados como argila de baixa plasticidade e não apresentaram comportamento laterítico. Os corpos-de-prova foram moldados indeformados e submetidos aos processos de secagem e saturação e, posteriormente, realizados os ensaios triaxiais cíclicos. Os resultadospermitiram a modelagem do MR em função do estado de tensão e de diferentes umidades e avaliou-se a consequência da variação da umidade nos parâmetros mecânicos deste solo. Por fim, apontou-se uma correlação do número de ciclos do ensaio com o tráfego previsto à ferrovia que permitiu estimar a deformação permanente ao longo dos anos.

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22 ABSTRACT

The main objective of this research was to evaluate the effect of moisture variation of the subgrade on the mechanistic behavior of a homogeneous section of the Carajás Railroad. From eighty-seven available samples, three undisturbed samples were selected for traditional geotechnical characterization, MCT method and Resilient Modulus and Permanent Deformation tests. The soils were classified as clay of low plasticity and did not present lateritic behavior. The specimens were molded undisturbed and subjected to drying and saturation processes and, later, cyclic triaxial tests were carried out. The results allowed the modeling of the MR function of the stress state and different moistures and the consequence of the moisture variation in the mechanical parameters of this soil was evaluated. Finally, a correlation between the number of cycles of the test and the predicted traffic to the railway was pointed out which allowed to estimate the permanent deformation over the years.

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1 INTRODUÇÃO

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Entre os sistemas de transportes existentes, o ferroviário destaca-se por sua natureza de transportar cargas pesadas de maneira segura e eficiente. Segundo a Agência Nacional de Transportes Terrestres (ANTT, 2019), no período entre 2006 e 2018, a produção de transporte ferroviário de cargas registrou um crescimento aproximado de 38% em toneladas úteis (TU) transportadas. Dentre os subgrupos de mercadorias transportadas, destaca-se o transporte de carga de 441.376 TU de minério de ferro, o que corresponde a 77% de toda a produção transportada em 2018. Atrelada ao desenvolvimento do setor, a necessidade do aumento da capacidade de carga das vias impulsionou a realização de investimentos em melhorias operacionais e na infraestrutura da plataforma ferroviária como aumento do carregamento e volume de tráfego, do acréscimo de velocidades praticadas e desenvolvimento de projetos para expansão da malha com duplicação das vias existentes e criação de novos trechos.

Com o aumento da solicitação do pavimento ferroviário, faz-se necessário o reforço destas vias e uma criteriosa investigação da capacidade de carga do subleito frente ao novo carregamento. O desempenho das vias férreas é resultado de uma complexa interação entre os diversos elementos da plataforma ferroviária e das camadas do sistema em resposta às solicitações do carregamento tridimensionais. Entretanto, devido a limitação de procedimentos geotécnicos disponíveis, os modelos analíticos simplificam as avaliações, considerando apenas a componente vertical que surge do contato roda/trilho e se dissipa ao longo da estrutura até a plataforma ferroviária (MUNIZ DA SILVA, 2002; SPADA, 2003; INDARATNA et al., 2011).

O modelo clássico considera os trilhos como vigas contínuas infinitas sobre apoios elásticos ou como vigas contínuas sobre apoios discretos e equidistantes (HAY, 1982;

FORTUNATO, 2005). O modelo, todavia, é considerado simplista ao adotar um módulo de reação que modela o comportamento elástico do pavimento por um único parâmetro. Além disso, os módulos de reação são simulados por ensaios estáticos que não refletem, necessariamente, a deformabilidade dos materiais, ao desconsiderar os efeitos do estado de tensão in situ e do tempo de solicitação do carregamento imposto pela passagem dos trens.

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O estudo da mecânica dos pavimentos surge como uma base para o desenvolvimento e tratamento mais realístico da via, por estabelecer métodos mecanísticos que requerem o conhecimento das propriedades dos materiais tais como módulo de resiliência e deformação permanente. A rigidez do sistema de camadas é garantida com o uso de materiais de diferentes módulos de resiliência, obtidas por ensaios laboratoriais que simulam as condições reais em campo. MERHEB et al. (2014) destacaram a importância de estudos que realizem uma análise multifatorial das componentes que influem no comportamento do material a fim de contribuir com projetos mais representativos e assim, minimizar a deformação e degradação das camadas.

O conhecimento geotécnico e mecânico dos solos do subleito em relação ao processo de degradação sob a ação das cargas e dos efeitos climáticos é o primeiro passo para a otimização da manutenção e para os projetos de restauração do pavimento ferroviário (MEDINA E MOTTA, 2015).

Nesse contexto, o presente estudo teve como objetivo realizar uma análise paramétrica da influência da variação de umidade em um trecho homogêneo da Estrada de Ferro Carajás (EFC), e caracterizar o seu comportamento mecânico frente às deformações verticais da via. A EFC possui 892 quilômetros de extensão, interligando a mina de minério de ferro em Carajás, no Pará ao Porto de Ponta da Madeira, em São Luís do Maranhão, e é responsável por transportar anualmente 120 milhões de toneladas de carga e 350 mil passageiros, circulando aproximadamente 35 composições simultaneamente, entre as quais uma das maiores em operação regular do mundo, com 330 vagões e 3,3 quilômetros de extensão.

A pesquisa derivou de um projeto desenvolvido pela Vale para verificação da capacidade de suporte de carga ao longo da extensão da ferrovia de acordo com o carregamento que trafega pela sua malha (32,5 tf/eixo). Assim, o estudo serve como subsídio para a avaliação do desempenho ferroviário frente a variação da umidade do subleito sob as oscilações climáticas e o impacto significativo da deformação permanente na vida útil de uma via férrea com carga de roda conhecida. Destaca-se como notório no trabalho, a utilização de amostras indeformadas de solo para desenvolvimento do programa experimental. As amostras indeformadas são extraídas com o mínimo de perturbação possível, de modo a preservar suas estruturas, condições de umidade, compacidade e consistência naturais, ou seja, apresentam maior representatividade do material original ou da área a ser caracterizada e, consequentemente, resultados de ensaios mais representativos do comportamento em campo.

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25 1.2 OBJETIVO

1.2.1 OBJETIVO GERAL

O trabalho possui como objetivo principal analisar a influência do teor de umidade no comportamento resiliente e na deformação permanente de um tipo de solo de subleito ferroviário, e avaliar o comportamento mecanístico do pavimento frente a estas variações.

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Os objetivos secundários do estudo consistem em:

a) Analisar o banco de dados de resultados de ensaios prévios realizados na ferrovia para a definição de trechos da via permanente da Estrada de Ferro de Carajás com características homogêneas de carga e geometria;

b) Caracterizar os solos do subleito do trecho determinado da via férrea;

c) Avaliar o comportamento mecânico do solo do subleito da via permanente em diferentes condições de umidade;

d) Analisar a deformação permanente nas camadas estudadas sob o efeito das mudanças na saturação do solo;

e) Discutir o impacto da variação de módulo de resiliência do subleito devido à umidade no estado de tensões da via férrea para diferentes cenários de carregamento.

1.3 JUSTIFICATIVA

A Estrada de Ferro Carajás possui 892 km de extensão, transporta cerca de 120 milhões de toneladas e 350 mil passageiros e é classificada como a ferrovia mais eficiente do Brasil. Em

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2013, foi proposto um plano para remodelação da via indicando o aumento de 557 km de via, ligando os 54 pátios existentes.

Frente à necessidade de duplicação da via permanente e a impossibilidade da utilização de jazidas próximas pelo não atendimento da classificação geotécnica do solo exigida pelas normas técnicas; o estudo e avaliação aprofundada do comportamento mecânico de solos lateríticos apresenta uma nova abordagem para utilização do material no pavimento ferroviário.

O melhor emprego de solos tropicais de jazidas próximas à infraestrutura ferroviária contribui com o menor impacto com o meio ambiente, redução da movimentação dos terraplenos na implantação da plataforma, menores custos com remanejamentos, minimização das interferências na circulação dos trens, além da vantagem econômica atrelada à compra de material para construção das camadas da via. Neste sentido são necessários estudos acadêmicos para criar metodologias de avaliação da capacidade destas vias adaptadas para as condições brasileiras.

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

O trabalho deverá ser estruturado em 6 (seis) capítulos assim distribuídos:

a) Capítulo 1 – Introdução: Abrange uma contextualização geral da temática, a justificativa e motivação que incentivaram a elaboração do estudo, os objetivos principal e secundário e a estrutura à qual a pesquisa está organizada.

b) Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica: Apresentação de uma revisão da literatura sobre os assuntos abordados no decorrer do trabalho como pavimento ferroviário, metodologia clássica para dimensionamento de pavimentos, mecânica dos pavimentos, comportamento mecanísticos e a influência da umidade no desempenho do pavimento.

c) Capítulo 3 – Análise dos Estudos Geotécnicos Existentes: Apresenta-se uma caracterização da Estrada de Ferro Carajás, como localização, aspectos climáticos, geomorfológicos, condições de operação e os projetos existentes para a ampliação da via. Em seguida, aborda-se a descrição dos ensaios geotécnicos realizados em estudos anteriores, precedentes para o embasamento do presente estudo, bem como a avaliação do banco de dado conforme os critérios determinados para a definição do trecho a ser estudado.

d) Capítulo 4 – Programa Experimental e Modelagem Numérica: O programa experimental

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desenvolvido deverá ser abordado no quarto capítulo, detalhando-se a execução segundo a normativa técnica corrente, instrumentação adotada, definição do trecho experimental em estudo e das características regionais (solo, clima, etc.), e procedimentos técnicos dos ensaios previstos em laboratório para caracterização específica e complementar dos materiais utilizados. Por fim, apresenta-se os parâmetros e metodologia utilizada para o desenvolvimento da modelagem numérica do comportamento mecanístico do trecho.

e) Capítulo 5 – Resultados e Discussões: São apresentados os resultados dos ensaios para a caracterização das amostras do subleito analisadas e das modelagens numéricas para a previsão do desempenho do pavimento da via férrea do trecho em estudo conforme a variação do teor de umidade do subleito.

f) Capítulo 6 – Conclusões e Recomendações Futuras: Apresentação das conclusões do trabalho e as sugestões de estudos complementares e importantes em projetos futuros;

g) Capítulo 7 – Referências Bibliográficas;

h) Capítulo 8 – APÊNDICES;

i) Capítulo 9 – ANEXOS.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

De maneira geral, o pavimento consiste em uma estrutura de múltiplas camadas finitas, constituídas de material que possui resistência à deformação, assentada sobre um terreno natural compactado, o subleito, sendo este de rigidez inferior e sujeito a maior influência às deformações plásticas (SPADA, 2003; NBR 7207/82, 1982).

BERNUCCI et al. (2008) destacaram que o pavimento deve: i) proporcionar aos usuários melhorias nas condições de rolamento, quanto ao conforto e segurança da via; ii) resistir aos esforços horizontais (desgaste), e proporcionar uma superfície de rolamento mais duradoura; e iii) resistir aos esforços verticais oriundos do tráfego e às intempéries. PIRES (2007) acrescenta como funções da via, guiar o veículo pela sua geometria e distribuir o carregamento à plataforma natural.

No sistema ferroviário, a estrutura formada pelo conjunto de camadas e de elementos que possibilitam a passagem dos trens é denominada de via permanente. Segundo SELIG e WATERS (1994), a via permanente pode ser dividida em duas partes distintas: superestrutura e infraestrutura, conforme FIG. 2.1.

FIG. 2.1 Componentes da Via Permanente Ferroviária

Fonte: Adaptada de SELIG e WATERS (1994)

A superestrutura compreende a região da via responsável por captar os esforços oriundos do tráfego ferroviário, transmiti-los através das conexões estruturais de composição e distribui- los uniformemente pela plataforma ferroviária.

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São elementos da superestrutura: trilhos, aparelhos de fixação, dormentes e lastro. BRINA (1988) define as funções específicas dos componentes:

a) Trilhos: constituem a base de rolamento para as rodas dos veículos ferroviários e conduzem os esforços verticais e horizontais originados pelas cargas dos veículos para os dormentes;

b) Dormentes: recebem os esforços dos trilhos e transmitem-nos ao lastro.

c) Aparelhos de fixação: mantêm a posição do trilho estabelecida em projeto, impedindo a variabilidade da bitola da via.

d) Lastro: distribui os esforços resultantes sobre a plataforma ferroviária, impossibilita a movimentação dos dormentes e trilhos e permite a drenagem da superestrutura.

A superestrutura da via permanente está exposta a intempéries e à ação de desgaste das rodas das composições; podendo, assim, ser recuperada ou renovada quando o desgaste atingir o limite definido pela comodidade de circulação de trens e segurança operacional (SILVA FILHO, 2018).

Já a infraestrutura da via permanente corresponde ao conjunto de obras que formam a plataforma ferroviária, responsável por suportar a superestrutura e oferecer condições de contorno à circulação de trens na garantia de drenagem, preservação do gabarito e transposição do relevo acidentado. HAY (1982) ressalta que a infraestrutura deve possuir resistência adequada para tornar a via estável, independente da carga por eixo, forma de distribuição e ciclos de carregamento.

STOPATTO (1987) define a infraestrutura como todas as camadas situadas abaixo do lastro. BRINA (1988) acrescenta que a infraestrutura se refere à camada de terraplenagem, subleito, o sublastro e todas as intervenções abaixo do greide, como obras de arte corrente e especiais.

O sublastro é a camada de separação entre o lastro e o subleito, composto basicamente por materiais bem graduados como misturas de areias e cascalhos, compostas em central, materiais naturais britados ou detritos de pedreiras (SELIG E WATERS, 1994). Segundo FORTUNATO (2005), o sublastro deve exercer a função de um elemento drenante e filtrante entre as camadas de topo e base, capaz de escoar a água advinda da precipitação nas camadas superiores ou da ascensão por capilaridade no subleito, e de inibir o bombeamento de finos até o lastro que causam a sua colmatação e enrijecimento. ESVELD (2001) destaca que a camada amortece os níveis de tensões transmitidas ao subleito, tornando-se uma alternativa mais econômica do que o aumento da espessura do lastro.

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O sublastro deve ser dimensionado para suportar as solicitações geradas pelas composições, preservando sua integridade sem deformações plásticas ou problemas de fundação, ocasionados por escolha de materiais inadequados, variação da umidade, e/ou perda das características mecânicas do sistema.

O subleito, ou terreno natural, é a camada de solo com capacidade de suporte da plataforma que desempenha a função de fundação do pavimento (SPADA, 2003). As cargas oriundas do sublastro são propagadas à camada que dissipa as pressões exercidas na plataforma ferroviária.

Conforme o aumento da profundidade do maciço, as pressões de contato são amortizadas até se tornarem insignificantes. Assim, SENÇO (2007) aponta que o subleito deve ser considerado apenas como a parcela do sistema mais próximo da superfície, sob a ação dos bulbos de pressão.

Na engenharia ferroviária, a investigação do subleito é considerada um elemento fundamental para a garantia da qualidade do desempenho do pavimento e a operação segura e confortável dos veículos ferroviários. Segundo STOPATTO (1987), as ações das cargas móveis atingem o subleito em uma parcela de 1,5 a 3,0 m abaixo do sublastro. Para SELIG e WATERS (1994), as tensões no subleito se propagam até 5,0 m de profundidade e possuem grande influência na deformação permanente total do pavimento.

A propagação de tensões das cargas dinâmicas nas camadas dos pavimentos varia segundo os autores a uma profundidade entre 5,0 a 8,0 m abaixo dos dormentes; entretanto, ressaltam a importância da avaliação das características do solo da região de intensa solicitação do subleito, destacada como os dois metros iniciais de profundidade da camada (MUNIZ DA SILVA, 2002;

FORTUNATO, 2005; MEDINA E MOTTA, 2015).

O conhecimento geotécnico e mecânico dos solos do subleito em relação ao processo de degradação sob a ação das cargas e dos efeitos climáticos é o primeiro passo para a otimização da manutenção e para os projetos de restauração do pavimento ferroviário (MEDINA E MOTTA, 2015). Nos casos em que o terreno natural não oferece as condições de suporte exigidas em projeto, indica-se o reforço do subleito.

2.1 MECÂNICA DOS PAVIMENTOS FERROVIÁRIOS

A mecânica dos pavimentos é uma disciplina que estuda o pavimento como um sistema de camadas assentadas sobre um subleito natural e sujeito às ações de cargas de veículos e de

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intempéries (MEDINA, 1988). RIBEIRO (2012) descreve que a resistência a sustentação e a qualidade da via férrea estão relacionadas diretamente à influência das condições de carregamento, simplificada em três parâmetros fundamentais: carga por eixo, tonelagem total e velocidade de rolamento. A manutenção da via pode ser planejada a partir da previsão de deformações com base na carga total aplicada ao trecho.

O desempenho das vias férreas é resultado de uma complexa interação entre os diversos elementos da plataforma ferroviária e das camadas do sistema em resposta às solicitações do carregamento tridimensionais. Entretanto, devido a limitação de procedimentos geotécnicos disponíveis, os modelos analíticos simplificam as avaliações, considerando apenas a componente vertical que surge do contato roda/trilho e se dissipa ao longo da estrutura até a plataforma ferroviária (MUNIZ DA SILVA, 2002; INDARATNA et al., 2011).

O estudo da mecânica dos pavimentos surge como uma base para o desenvolvimento e tratamento mais realístico da via, por estabelecer métodos mecanísticos que requerem o conhecimento das propriedades dos materiais tais como módulo de resiliência e deformação permanente. MERHEB et al. (2014) destacaram a importância de estudos que realizem uma análise multifatorial das componentes que influem no comportamento do material a fim de contribuir com projetos mais representativos e assim, minimizar a deformação e degradação das camadas.

2.1.1 VIGAS CONTÍNUAS SOBRE APOIO ELÁSTICO

Atrelado ao surgimento das primeiras ferroviais no século XIX, sucederam diversos estudos que buscavam antever o comportamento do pavimento ferroviário. Um dos primeiros trabalhos bem-sucedidos foi proposto por WINKLER (1867). Conforme apontado por RANGEL (2017), o autor propôs inicialmente um modelo onde considerava-se os trilhos como vigas contínuas, assentadas sobre apoios rígidos e individualizados, que devido à posição do carregamento, o maior momento fletor ocorre no meio dos vãos entre os dormentes. Entretanto, tal configuração pode ser considerada prática apenas para obtenção dos esforções e deflexões de vias férreas construídas por elementos que sofrem pequena deformação, como algumas obras de concreto. Nas vias convencionais, o momento fletor dos trilhos é influenciado pela deflexão

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32

natural dos dormentes, ocasionada pelo assentamento em apoios elásticos formados pelas camadas de lastro/sublastro/subleito.

Dessa forma, Winkler substituiu os apoios rígidos por apoios elásticos e discretos (dormentes), resultando na EQ. (2.1). O modelo clássico para avaliação do pavimento ferroviário considera os trilhos como vigas contínuas infinitas sobre apoios elásticos ou como vigas contínuas sobre apoios discretos e equidistantes (HAY, 1982; FORTUNATO, 2005).

p = Cy (2.1)

Onde,

p : força por unidade de área;

y : deflexão;

C : coeficiente de Winkler ou coeficiente de lastro, que é definido como uma tensão por unidade de comprimento que produz uma deflexão unitária no lastro, cuja dimensional é [F][L]^-3.

O coeficiente de Winkler, também denominado como coeficiente de deflexão de apoio, é descrito em função da rigidez das camadas abaixo do lastro, determinados pelos parâmetros físicos e químicos dos materiais que compõem as camadas. Sucessivamente, MUNIZ DA SILVA (2002) relata que, em 1888, Zimmermann¹ formulou uma metodologia para calcular os esforços na via férrea baseada nas hipóteses de Winkler. A expressão formulada busca determinar os deslocamentos verticais e momentos fletores dos trilhos, considerando, para o cálculo, a função de cargas, rigidez a flexão, coeficiente de recalque C e largura do apoio de dormente sobre o lastro.

Em 1918², a “American Railway Engineering Association” (AREA) apresentou o primeiro relatório que compila os resultados de estudos realizados por um grupo de trabalho, sob a direção de A.N. Talbot. O procedimento para análise das propagações de tensões é baseado no conceito de módulo da via, definido como um coeficiente de reação da plataforma ao carregamento linear, distribuído uniformemente das camadas inferiores às superiores. O módulo da via é considerado por SPADA (2003) como um parâmetro global que considera as componentes de rigidez do trilho, espaçamento, dimensões e rigidez dos dormentes e as componentes inferiores da via férrea, conforme a expressão:

1 ZIMMERMANN, H. Die berechnung des eisenbahnoberbaues. Verlag W. Ernst & Sohn, 1988.

2 TALBOT, A. N. Stresses in railroad track, Report of the Special Committee on Stresses in Railroad Track". Proceeding of the AREA. First progress report. Vol. 19, pp. 73-1062, 1918.

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p = -uy (2.2)

Onde,

p: o carregamento linear uniformemente distribuído de reação do lastro às cargas de tráfego;

u: módulo de via, cuja dimensional é [F][L]^-2; y: deflexão do trilho.

O modelo, todavia, é considerado simplista ao adotar um módulo de reação que modela o comportamento elástico do pavimento por um único parâmetro. Além disso, os módulos de reação são simulados por ensaios estáticos que não refletem, necessariamente, a deformabilidade dos materiais, ao desconsiderar os efeitos do estado de tensão in situ e do tempo de solicitação do carregamento imposto pela passagem dos trens.

Adicionalmente, Talbot idealizou o gráfico da FIG. 2.1 conhecido como “Isóbaras de Talbot” que propôs a determinação das tensões atuantes na camada do pavimento através da propagação pelo bulbo de tensões, onde todas as camadas são consideradas homogêneas.

FIG. 2.2 Gráfico de Talbot.

Fonte: Adaptada de TALBOT (1918).

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Tal adoção também é considerada simplista e não reflete a realidade de um pavimento, visto que na condição real, o pavimento é composto por camadas de materiais de diferentes deformabilidades. Vale destacar que, nas análises apresentadas, considera-se a aplicação de uma carga estática por eixos, corrigida por coeficientes que consideram o efeito de cargas dinâmicas acidentais ou tráfego em trechos curvos das vias.

Dessa forma, os estudos desenvolvidos nas primeiras décadas do século XX abordavam o dimensionamento do pavimento de forma empírica (BROWN E SELIG, 1991). Até 1960, o conceito vigente associava a ruptura do pavimento à deformação permanente do subleito conforme o critério empírico do CBR (SPADA, 2003).

No final da mesma década, a “British Railways” empreendeu um método de dimensionamento da espessura das camadas calibrado por ensaios de campo e laboratoriais.

Segundo SPADA (2003, p. 20), o estudo voltou-se para “medições de tensões e distribuições de tensões sob várias combinações de espessuras de lastro, espaçamento de dormentes, tipo de dormente e técnica de manutenção, em pontos espalhados da linha”. Foram realizados ensaios triaxiais cíclicos em diversos solos, variando a tensão desviadora; e os resultados apontam que o dimensionamento deve ser executado de forma que a tensão aplicada sobre o subleito seja inferior à tensão limite do solo.

2.1.2 VIA FÉRREA COMO UM SISTEMA EM CAMADAS

O avanço dos sistemas de transportes impulsionou o desenvolvimento de novos estudos para análise do desempenho do pavimento em resposta a diferentes tipos de solicitações. A Mecânica dos Pavimentos surgiu como um ramo da Engenharia Civil que apresenta estudos para modelagem e previsão do comportamento do pavimento, considerando um sistema de multicamadas submetidas ao carregamento repetido dos veículos que nele trafegam (SPADA, 2003; MUNIZ DA SILVA, 2002).

No sistema em camadas, os componentes da via – dormentes, trilhos, fixações, lastro, sublastro e subleito – são analisados de forma independente, desempenhando funções distintas (MUNIZ DA SILVA, 2002). SELIG e WATERS (1994) realizaram os primeiros estudos de análise independente das camadas do pavimento ferroviário através de uma série de tensões e distribuições de carregamento para diferentes combinações de espessura de lastro, espaçamento

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e tipos de dormentes e métodos de manutenção da via férrea.

A rigidez do sistema de camadas é garantida com o uso de materiais de diferentes módulos de resiliência, obtidos por ensaios laboratoriais que simulam as condições reais em campo. Os ensaios de cargas repetidas, sejam em camadas do subleito, sublastro ou lastro, fornecem parâmetros de deformabilidade, necessários para o dimensionamento das camadas do pavimento ferroviário (MEDINA E MOTTA, 2015).

Uma vez conhecidas as peculiaridades dos componentes da via, o modelo proposto permite analisar a previsão do desempenho da linha e, assim, possibilitar um planejamento para a implantação ou manutenção da via de forma mais eficaz. O esquema de propagações de tensões no sistema multicamadas do pavimento ferroviário ocorre conforme apresentado pela FIG. 2.3.

FIG. 2.3 Esquema geral de distribuição de cargas no sistema em camadas.

Fonte: BROWN E SELIG (1991), apud SILVA FILHO (2018).

O sistema apresentado emprega os conceitos de distribuição de carga de forma linear através de um ângulo de espraiamento das tensões pelo meio dos contatos entre as arestas de forma (MERHEB et al., 2017).

A configuração do sistema adota que: i) cada camada possui um módulo de resiliência e coeficiente de Poisson; ii) as camadas se estendem horizontalmente até o infinito; iii) a base possui profundidade infinita; e iv) nenhum deslizamento é permitido nas interfaces das camadas.

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Para a resolução do sistema descrito, diversos programas computacionais que utilizam os parâmetros tridimensionais e propriedades de tensão surgiram para definir a resposta elástica da via férrea e o desempenho do pavimento (SPADA, 2003).

2.1.3 MODELAGEM COMPUTACIONAL DO PAVIMENTO FERROVIÁRIO

Os diversos modelos usados para análise do pavimentos baseiam-se, em sua maioria, em:

i) modelos mecânicos de combinação de massa-mola; ii) sistema em camadas; iii) modelos de cisalhamento em camadas; iv) método das diferenças finitas (MDF); v) método dos elementos finitos (MEF); e vi) método dos elementos discretos (MED) adotado comumente para a análise das camadas de lastro.

De acordo com FERNANDES (2005), os softwares consideram um modelo tridimensional em multicamadas, obtendo uma resposta elástica do pavimento estrutural da via baseado nas propriedades tensão-deformação não-lineares das camadas de lastro, sublastro e subleito.

Dentre os programas usados para a simulação do modelo estrutural do pavimento ferroviário, destacam-se: ILLITRACK (ROBNET, 1975), GEOTRACK (CHANG et al., 1980), KENTRACK (HUANG et al., 1984), FERROVIA (RODRIGUES, 1994), ANSYS (DESALVO E SWANSON, 1985) e SYSTRAIN (NASCIMENTO et al., 2016) .

A maioria deles foram formulados com base nos softwares anteriormente desenvolvidos, visando o aperfeiçoamento das limitações tecnológicas condicionadas à época. As malhas consideradas nos modelos antigos eram simplificadas pelo método de elementos finitos que restringe a criação de modelos mais complexos; e a plataforma, majoritariamente usada, vinculava-se a MS-DOS, incompatível com sistemas operacionais mais modernos. Assim, alguns programas caíram em desuso e softwares mais elaborados avançaram nos estudos para a simulação do desempenho da plataforma ferroviária.

O ILLITRACK, criado pela Universidade de Illinois, transformou o modelo tridimensional em dois modelos bidimensionais de análise transversal e longitudinal, onde os dados de saída do modelo longitudinal geram os dados de entrada para o modelo transversal. O programa, todavia, não se popularizou.

No Brasil, os primeiros estudos de análise de desempenho do pavimento ferroviário através de modelagens computacionais surgiram com o advento do software GEOTRACK ao país, pelo

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professor Selig na década de 90. O modelo, desenvolvido por CHANG et al. (1980), considera o sistema solo-lastro como um sólido prismático, trilhos como vigas elásticas lineares apoiadas em dormentação representada por 11 dormentes, e os acessórios de fixação como molas que podem ser tracionadas ou comprimidas (SELIG E WATERS, 1994). O programa considera a geração de reações individuais a cada contato do dormente com o lastro, e que as camadas são infinitas no seu sentido horizontal e na profundidade da última camada do sistema.

As deformações permanentes da via são calculadas a partir do estudo do estado de tensão do solo, as relações de deslocamento-força e a matriz de sistema do sistema solo-lastro. As condições de equilíbrio e compatibilidade do sistema são satisfeitas pela combinação das matrizes de flexibilidade do sistema em multicamadas, fundamentadas pela teoria de Burmister³. Após a análise tridimensional, os dados fornecidos pelo programa são: deflexão vertical do trilho, reação trilho-dormente, deflexão do dormente sob o trilho, momentos fletores atuantes sobre o trilho, módulo de via, deslocamentos verticais, estados de tensões e tensões principais causadas pelo carregamento de roda em um ponto selecionado em cada camada (SELIG E WATERS, 1994; SPADA, 2003; FERNANDES, 2005).

De forma similar ao GEOTRACK, o KENTRACK utiliza a teoria de múltiplas camadas e elásticas, com a possibilidade de variação das formas de aplicação de carga. As tensões e deformações no pavimento seguem a solução analítica de Burmister³, e os trilhos e dormentes são analisados pelo método de elementos finitos. Originalmente, criado para a avaliação de vias com camadas asfálticas, o programa pode ser usado em pavimentos com vias de lastro e sublastro totalmente granulares, sublastro de concreto asfáltico ou combinados. Segundo ROSE et al. (2014), o KENTRACK possibilita a análise de danos no pavimento; entretanto, por ser calibrado para o uso em pavimentação rodoviária, a previsão do ciclo de vida nas vias férreas pode apresentar valores conservadores.

Em 1993, o programa FERROVIA foi desenvolvido pelo Dr. Regis Martins Rodrigues e atualizado em 2002 para a versão 3.0. O programa possui interface simples, sendo bastante difundido no Brasil em projetos de consultoria e em trabalhos acadêmicos, como o de CORREIA (2007), SILVA FILHO (2013), MONTEIRO (2016) e RANGEL (2017), que usam o software para avaliação do comportamento mecanístico do pavimento ferroviário. Destacados pela sua relevância, encontram-se a tese de doutorado de SPADA (2003), que realiza uma abordagem do uso do FERROVIA em comparação ao GEOTRACK para investigação do

3 BURMISTER, D.M. The Theory of Stresser and Displacements in Layered Systems and Application to the Design of Airports Runway. Highway Research Board, Proc, 1943.

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comportamento tensão-deformação da via férrea, e a de Silva Filho (2018), que usou comparação dos resultados de tensões e deformações obtidos pelo FERROVIA 3.0 e pelo ANSYS v15 para balizar o desenvolvimento do software SYSTRAIN.

Na versão atual, a malha é composta por 176 elementos finitos 10 por dormente, totalizando 11, e 22 para cada trilho, conforme a FIG. 2.4.

FIG. 2.4 Malha de elementos finitos do FERROVIA.

Fonte: SPADA (2003)

O programa baseia-se no Método de Elementos Finitos para a análise da grade da via permanente, considerando os trilhos e dormentes como um sistema de vigas interligadas por fixações representadas por molas de constante conhecida. Os dados de entrada da grade incluem a bitola e espaçamento entre dormentes, e as especificações referentes aos aparelhos que formam superestrutura ferroviária: i) trilhos o momento de inércia, o módulo de elasticidade, a área da seção transversal e a largura do patim; ii) dormentes o módulo de elasticidade, o momento de inércia, a área da seção transversal, o comprimento, a largura e o tipo: monobloco ou bi-bloco; e iii) aparelho de fixação definido como uma mola de rigidez k𝑓 que varia de zero até uma ligação perfeitamente rígida.

A fundação é configurada conforme a quantidade de camadas e suas respectivas espessuras, coeficiente de Poisson, ângulo de atrito e coesão de cada material. Nos casos onde são realizados os ensaios triaxiais para caracterização do material, é possível inserir os parâmetros

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k1 e k2 do módulo de resiliência do material conforme modelo granular, coesivo ou linear.

Aponta-se a deficiência do programa em não aceitar modelos mais complexos como o composto para a configuração do comportamento resiliente do material.

As camadas do pavimento (lastro-sublastro-subleito) são avaliadas pelo Método das Camadas Finitas (FLAPS 1.0 Finite Layer Analysis of Pavement Structures) que permite a pressuposição da elasticidade não linear dos solos e de materiais granulares, e a execução do programa por partes, realizando as interações necessárias para compatibilização dos módulos resilientes das camadas com o carregamento (SPADA, 2003).

Como resposta da simulação, o programa fornece como dados de saída as deflexões, a pressão de contato entre o dormente e lastro, momento fletor nos trilhos e o estado de tensões nos pontos previstos pela malha, sejam em dormentes, trilhos, lastro ou subleito. Os valores podem ser analisados conforme os critérios limites previstos nas normatizações e práticas da Engenharia Ferroviária listados:

a) Pressão máxima na interface dormente de concreto/lastro (pC):

− Pressão máxima indicada para lastros com boa qualidade e resistência à abrasão é de 586 kPa (AREMA, 2009);

b) Deflexão máxima no trilho (T):

− Para vias de carga pesada, o limite superior desejável é de 500x10^-2 mm (HAY, 1982);

− Deformação vertical máxima admissível no trilho de 640x10^-2 mm (AREMA, 2009);

− Deflexão vertical desejável de 320x10^-2 mm;

c) Tensão máxima no trilho devido à flexão (T):

− Valor máximo de 175 MPa (AREMA, 2009);

− Por questões de fadiga e fenômenos de origem dinâmica, as práticas internacionais e brasileiras limitam a tensão no trilho em 150 MPa;

d) Tensão máxima no dormente devido à flexão (D):

− Os dormentes de concreto devem suportar o momento máximo de 34,56 kN.m);

e) Tensão vertical máxima no subleito (SL):

− A tensão máxima admissível no subleito deve atender aos critérios de situação de ruptura global, correspondente ao momento em que o primeiro carregamento é aplicado na seção.

− Devem ser analisados, os casos de ruptura transversal, onde a carga admissível deve

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ser comparada com a tensão vertical máxima aplicada pela passagem do trem no subleito; e longitudinal, verificando as comparações de carga e tensão máxima na frente do veículo ferroviário.

− A capacidade de carga última é calculada pela equação de Terzaghi (EQ. 2.3) concebida para sapata corrida, e os valores devem ser avaliados por um fator de segurança igual a 3, conforme EQ. (2.4):

q_últ = c × N_c+ q × N_q + 1

2× γ × B × N_γ (2.3)

Onde,

q_últ: capacidade de carga última do subleito;

c : coesão;

q : peso da altura da camada de lastro;

 : peso específico do lastro;

B : largura do dormente, para análise longitudinal; e comprimento, para transversal;

N, Nc, Nq: fatores de capacidade de carga.

σ_{SL adm} =q_últ

3 (2.4)

Onde,

σ_{SL adm}: tensão admissível máxima suportada pelo subleito.

O fator de segurança aplicado à capacidade de carga última do subleito é o proposto para projetos de fundações rasas pela norma NBR 6122 (ABNT, 2010). Devido à heterogeneidade dos solos, que podem apresentar variabilidade acentuada, a correção do valor da tensão admissível pelo fator de segurança igual a 3 possibilita que a camada seja solicitada, de forma predominante, no regime elástico. A aplicação de fatores de segurança inferiores pode induzir grandes deformações acumuladas na camada, visto que o subleito apresenta, genericamente, solos com comportamento mecânico predominantemente plásticos. Dessa forma, os estudos de formação e caracterização dos solos que compõem o pavimento tornam-se fundamentais para o entendimento e a posterior avaliação do desempenho mecanístico da estrutura.