116

CAPÍTULO 3 – ASSENTAMENTO DA LINHA

3.1 INTRODUÇÃO

Prévio a análise do assentamento da linha, convém recordar alguns conceitos:

3.1.1 Bitola

É a distância entre trilhos medida a uma distância de 12 a 15 mm do plano de rodagem.

Em alinhamentos retos, utiliza-se a bitola de projeto, enquanto que em curvas, a bitola é

aumentada ligeiramente mediante a superlargura.

Os trilhos são colocados com uma pequena inclinação em relação à vertical (Figura 3.1), de

forma a acompanhar a inclinação do aro das rodas (conicidade dos aros). No Brasil e nos

Estados Unidos, a inclinação dos trilhos é de 1:20 (5%), enquanto na Europa, a inclinação

adotada é igual a 1:40 (2,5%).

Figura 3.1 – Inclinação dos trilhos (Poyo et al., 2005).

Durante sua vida útil, os trilhos apresentam desgaste oblíquo da superfície de rodagem seguindo

a inclinação dos aros das rodas.

Tolerâncias na bitola

Com a passagem dos veículos, a via sofre alargamentos ou estreitamentos da bitola, sendo

necessária a correção desta quando esse defeito ultrapassa certos limites. O alargamento pode ser

devido ao afrouxamento da fixação do trilho ou ao desgaste deste. O estreitamento da via ocorre

se a inclinação do trilho for aumentada por qualquer motivo.

Tolerâncias:

Trechos retos (tangentes): -3 mm a +6 mm;

Trechos curvos: até +10 mm.

3.1.2 Jogo da via

117

É a diferença de bitola (em tangente) e a distância entre as faces dos frisos das rodas (Figura

3.2). No friso da roda, a distância é medida a 10 mm abaixo do plano de rodagem. Em

alinhamentos retos, o jogo da via para rodas com frisos novos varia entre 9 mm e 15 mm. Nas

curvas, a folga total será a soma do jogo da via em tangente mais a superlargura adotada. Quanto

menor for o jogo da via, maior será a suavidade da marcha dos trens.

j = b-d

j

Figura 3.2 – Jogo da via (Brina, 1988).

3.2 CARACTERÍSTICAS DO ASSENTAMENTO DA LINHA

3.2.1 Dormentes

3.2.1.1Distribuição dos dormentes

Os dormentes são colocados perpendicularmente aos trilhos tanto em tangente quanto em curva.

O espaçamento entre dormentes depende dos seguintes fatores:

Carga dos veículos;

Velocidade dos trens;

Densidade de tráfego;

Natureza da plataforma da via;

Raio das curvas.

3.2.1.2 Densidade de dormentação

É a quantidade de dormentes colocados por quilômetro de linha. Na Europa, devido à utilização

de trens mais leves, a densidade de dormentação varia entre 1.500 e 1.700 dormentes/km, nas

linhas de maior tráfego. No Brasil e nos Estados Unidos, onde são empregados trens mais

pesados, a densidade de dormentação é de 1.600 a 1.850 dormentes/km. Em caso de utilização

de 2.000 dormentes/km, o nivelamento da via só pode ser feito mediante socaria mecânica, pois

a proximidade dos dormentes torna difícil a socaria manual. Além disso, nas juntas é comum

aproximar-se mais os dormentes para dar melhor apoio à mesma enquanto que os dormentes

vizinhos dessa junta também são aproximados gradativamente.

3.2.1.3 Preparo dos dormentes

Em dormentes de madeira, deve-se proceder a entalhação e furação destes, prévio a distribuição

do material pela faixa da estrada.

Entalhação:

Processo no qual são feitos dois entalhes na face superior do dormente, onde são adaptadas as

placas de apoio do trilho. Se a placa de apoio a ser utilizada já tem a inclinação necessária, o

entalhe é feito na horizontal, de modo que a placa se encaixe ligeiramente no dormente.

118

Furação:

Neste caso são feitos os furos para a passagem dos elementos de fixação, por processo manual

ou mecânico. Em dormentes de madeira tratada, a entalhação e furação são feitas previamente

por máquinas fixas de grande produtividade, instaladas junto às usinas de tratamento dos

dormentes.

3.2.1.4 Transporte dos dormentes

O material pode ser transportado para o local de assentamento da via em vagões próprios, no

caso de prolongamento de uma linha ou ramal existente, ou ainda em caminhões no caso de

linha férrea inteiramente nova.

3.2.1.5 Locação e implantação dos marcos de alinhamento e nivelamento

Inicialmente deve-se locar o eixo da via, operação denominada “locação para trilhos”, na qual

são implantados piquetes ao longo da via.

A seguir, nivela-se novamente o eixo e projeta-se o greide final dos trilhos. O estudo do greide

final dos trilhos suprimirá qualquer irregularidade na plataforma, mediante pequena variação nas

alturas do lastro, ou seja, o greide final se aproximará tanto mais do greide projetado quanto

melhor for a regularização da plataforma.

Na seqüência, a locação do eixo é transferida para a margem da plataforma, colocando-se

pequenos marcos (pedaços de trilhos) com entalhe lateral indicando a posição da superfície de

rolamento, incluindo a altura do lastro, do dormente e do trilho.

Nas curvas, deve ser incluído na altura indicada pelos marcos de referência de alinhamento e

nivelamento, o valor da “superelevação” a ser implementada no trilho externo.

3.3 ASSENTAMENTO DA LINHA

O assentamento pode ser realizado mediante dois processos:

Processo clássico

Neste caso adota-se apenas uma frente de serviço no início do trecho, que vai avançando

progressivamente até o final da linha.

Processo moderno

Admite a abertura de várias frentes de serviço simultaneamente.

3.3.1 Processo clássico – Etapas

Primeira etapa:

Os dormentes são distribuídos ao longo do eixo da via. No caso de dormentes de madeira, já

entalhados e furados, e no caso de dormentes de concreto, acompanhados das respectivas

fixações já colocadas.

Segunda etapa:

As talas de junção, parafusos, porcas e arruelas são distribuídas próximo às juntas.

119

Terceira etapa:

Os materiais de fixação do trilho ao dormente (p/madeira: placas, parafusos, pregos e arruelas)

também são distribuídos ao longo do eixo da via. O material é deixado a cada 100 m para

atender a 50 m de cada lado deste ponto.

Quarta Etapa:

Os dormentes são colocados transversalmente à linha, caso não o tenham sido inicialmente, a

partir do ponto inicial de assentamento, dando-se então o espaçamento eixo a eixo especificado

no projeto.

Quinta Etapa:

Os trilhos são descarregados e posicionados, manualmente ou mecanicamente (mediante o uso

de guindaste). Trilhos longos soldados (TLS) são descarregados no centro da via, em roletes de

ferro instalados nos dormentes e depois puxados para sua posição final sobre as placas de apoio.

Durante a fase de posicionamento dos trilhos sobre os dormentes, a distância de afastamento

entre as duas filas de trilhos deve ser constantemente controlada pelo “gabarito de bitola”. Esse

gabarito consiste de uma barra de ferro com dois ressaltos na distância igual a bitola da linha.

Sexta Etapa:

Antes de iniciar-se a fixação dos trilhos, ligam-se as juntas por meio de talas de junção,

colocando-se dois ou três parafusos mal apertados para permitir a movimentação da linha nas

operações seguintes.

Sétima Etapa:

Fixa-se inicialmente uma fila de trilhos, sendo a outra fila colocada na posição certa mediante o

uso do gabarito de bitola e alavancas, sendo esta fila então fixada ao dormente correspondente.

A fixação das duas filas de trilhos é feita de maneira alternada (dormente sim, dormente não),

tendo-se como resultado uma “linha pontilhada” sobre a qual o trem de serviço (ou trem de

lastro) pode circular levando o material para frente.

Oitava Etapa – Puxamento da linha:

Consiste em dar a linha férrea o alinhamento do projeto que foi marcado no terreno por meio dos

“marcos de alinhamento e nivelamento”. Esses marcos foram colocados previamente a certa

distância do eixo da via.

O puxamento consiste em deslocar a grade formada por trilhos e dormentes, mediante alavancas,

a fim de colocar os trilhos na posição indicada pelos marcos. Para o perfeito alinhamento dos

trilhos de acordo com o projeto, não basta a indicação dos marcos, sendo necessário o trabalho

do “mestre de linha”. Este operário observa, afastado do local, o alinhamento entre os marcos e

comanda o pessoal que desloca a grade.

Nona Etapa – Lastreamento e nivelamento da linha:

Ao concluir-se o trabalho de alinhamento ou simultaneamente a esta operação, procede-se ao

lastreamento e nivelamento da linha.

Os parafusos das juntas devem ser completados e devidamente apertados, finalizando-se com a

pregação dos trilhos nos dormentes. A seguir, lança-se pedra britada entre eles formando então

pequenos montes entre os mesmos.

120

Na seqüência o lastro é encaixado sob os dormentes, levantando-se a grade da linha por meio de

pequenos macacos hidráulicos ou pelas próprias máquinas niveladoras e vibradoras. Após o

encaixamento da pedra britada sob os dormentes, o lastro é compactado mediante vibração

proveniente de socadoras mecânicas pesadas. Esse procedimento é denominado “socaria”. As

socadoras levantam a grade (trilhos fixados aos dormentes) e vibram o lastro sob a mesma.

O nivelamento dos trilhos é verificado por meio de régua e nível de bolha, de modo a atingir a

altura marcada nos “marcos de referência” colocados à margem da linha.

Décima Etapa – Puxamento final e acabamento:

Terminado o alinhamento da via, faz-se uma correção final no alinhamento, conferindo-se as

distâncias dos marcos aos trilhos mais próximos, pois a linha poderia ter saído de sua posição

correta durante a operação de nivelamento. Na seqüência, os intervalos entre os dormentes são

preenchidos com lastro. Esse lastro não deve cobrir o dormente, sendo coroado a 5 cm da face

superior do mesmo. No caso de dormentes de concreto com blocos ligados por tirante metálico,

o lastro deve ficar a 2 cm abaixo da face inferior do tirante e a 5 cm da face superior do bloco de

concreto. Seguidamente são executados os taludes de lastro cuja inclinação não deve ser superior

a 1,0:1,5 (altura-base), além de obedecida a condição mínima da banqueta, ilustrada no Capítulo

2 (Figura 2.7). Em serviço totalmente mecanizado, máquinas próprias dão o acabamento e

taludamento do lastro, retirando inclusive o excesso de lastro.

3.3.2 Processo moderno de assentamento da linha

Neste caso podem ser abertas várias frentes de serviço e todo o material é transportado por

carretas ou em linha auxiliar construída ao longo da plataforma da ferrovia.

O lastro pode ser espalhado em uma primeira camada que permita o nivelamento da linha,

fazendo-se uma compactação primária deste (Figura 3.3). A seguir, os dormentes e trilhos são

assentados sobre essa camada de lastro, executando-se as operações descritas no processo

anterior. Posteriormente, após o início do tráfego, pode-se compactar novamente o lastro,

atingindo a altura especificada no projeto, e fazendo-se o nivelamento, puxamento final e

acabamento.

Vantagens deste processo:

Tempo de assentamento consideravelmente reduzido.

Utilização de estaleiro para construção da grade trilhos-dormentes. Assim é possível

transportar as grades de dimensões convenientes por guindastes próprios até o local de

assentamento.

Compactação com rolo sem vibração Espalhamento do lastro adicional

Elevação da grade (dormentes-trilhos) mediante máquina socadora

Figura 3.3 – Processo moderno de assentamento da linha

(Maynar e Fernández modificado, 2004).

121

3.4 VIA FÉRREA COM OU SEM JUNTAS

3.4.1 Via com juntas

Durante o assentamento da linha, os trilhos devem ser unidos para que a via tenha continuidade.

Essa união pode ser feita mediante talas de junção ou por meio de solda. No caso da utilização

de talas, estas podem ser dispostas segundo uma mesma normal aos trilhos ou alternadamente a

essa normal (Figura 3.4). Quando ficam sobre uma mesma normal à linha, denominam-se

“juntas concordantes ou paralelas”. Caso contrário, “juntas alternadas’.

Figura 3.4 – Juntas alternadas e juntas concordantes (Porto, 2004).

As juntas paralelas favorecem o movimento de galope (Figura 3.5) e aumentam o número de

acidentes em linhas de padrão médio e inferior (manutenção deficiente). É o modelo mais

utilizado na Europa.

As juntas alternadas devem ser colocadas o mais próximo possível do centro do trilho do lado

oposto, favorecendo assim o movimento de balanço. É o tipo mais utilizado no Brasil e nos

Estados Unidos.

Figura 3.5 – Movimentos a que está sujeito o material rodante na via férrea

(Medina e Motta, 2006).

Além da posição das juntas em relação à normal aos trilhos, estas podem ser apoiadas ou em

balanço (Figura 3.6). Nas juntas apoiadas, as pontas dos trilhos ficam sobre um dormente,

enquanto nas juntas em balanço, dois dormentes são aproximados (dormentes de junta), de

forma que as extremidades dos trilhos fiquem em balanço.

Nas juntas apoiadas, os trilhos sofrem rápido amassamento das pontas devido ao choque das

rodas nas extremidades (Figura 3.7). Quando a roda atinge a extremidade antes da junta, o

dormente sob a junta tende a sofrer rotação, aumentando o recalque de um lado. Assim, forma-se

um ressalto na passagem de um trilho para o seguinte, e por isso ocorre o martelamento. O

fenômeno é cumulativo e com a inclinação do dormente a situação se agrava, de modo que a

junta não se mantém nivelada. Nas juntas em balanço, a deformação nas duas pontas é

praticamente a mesma, com diminuição dos choques (Figura 3.7).

122

Junta apoiada Junta em balanço Figura 3.6 – Junta apoiada e junta em balanço (Brina, 1988).

Deslocamento lateral do dormente

Ressalto e martelamento

Figura 3.7 – Comportamento da junta sob carregamento (Brina, 1988).

3.4.1.1 Dilatação dos trilhos com talas de junção

Os trilhos são furados nas pontas onde se adaptam as talas de junção. Esses furos circulares têm

diâmetro maior que o dos parafusos a fim de permitir a dilatação dos trilhos.

Figura 3.8 – Diâmetro dos parafusos das talas de junção (Brina, 1988).

A folga das juntas é determinada segundo a Equação 3.1:

0,002ttαj cm (3.1)

Onde,

j = junta de dilatação;

= 0,0000115 (coeficiente de dilatação dos trilhos);

tm = temperatura máxima a que estará sujeito o trilho;

tc = temperatura de assentamento do trilho;

l = comprimento do trilho.

O diâmetro do orifício para os parafusos (Figura 3.9) é calculado segundo a Equação 3.2:

Figura 3.9 – Diâmetro dos parafusos (Brina, 1988).

2

jbd máx (3.2)

Onde,

123

d = diâmetro do orifício;

b = diâmetro do parafuso;

jmáx = dilatação máxima (folga calculada para a variação máxima de temperatura (temperatura

máxima menos temperatura mínima) do trilho.

3.4.1.2 Medição da temperatura

As temperaturas máxima e mínima a que estará sujeito o trilho devem ser monitoradas prévio à

construção da via. Essa medição é realizada mediante termômetros próprios colocados em furos

dentro dos boletos de pedaços de trilhos dispostos nas proximidades da futura via férrea. Em

geral as medições de temperatura são realizadas a cada hora, durante 24 horas do dia, em várias

épocas do ano.

3.4.2 Via sem juntas

As juntas constituem os pontos fracos da via, seja para o material rodante e via permanente, seja

em termos de conforto para os passageiros. Nos primórdios das ferrovias temia-se que a

implantação de uma via com trilhos contínuos soldados pudesse apresentar grandes movimentos

de dilatação devido ao comprimento longo utilizado, aliado ao baixo peso dos trilhos existentes e

soldaduras de qualidade inferior, que produziam ligações muito rígidas.

Essas deficiências começaram a ser eliminadas a partir da construção de vias mais robustas que

impediam a dilatação dos trilhos. Esse travamento foi obtido mediante utilização de novas

fixações trilho-dormente, de forma que as forças de dilatação dos trilhos fossem transmitidas aos

dormentes, e estes, engastados no lastro, retinham a via na localização original.

3.4.2.1 Análise teórica da via sem juntas

Inicialmente admite-se que todos os materiais apresentam comportamento elástico e a resistência

do lastro é uniforme e constante.

Nas vias ferroviárias, as variações de temperatura produzem variações no comprimento do trilho,

tendo-se como resultado movimento do trilho (caso a via o permita) ou tensões nesse trilho

(quando esse movimento é impedido). O trilho e os dormentes devem mover-se solidariamente

devido ao efeito das fixações, enquanto que o lastro exerce uma reação sobre os dormentes que

se opõem ao deslocamento longitudinal da via.

3.4.2.2 Cálculo dos esforços na via

Em uma via constituída por trilhos longos soldados, os parâmetros que caracterizam o

comportamento dessa via são:

A seção do trilho: S (cm2);

O módulo de elasticidade do aço do trilho: E (2,1 ×106 kg/cm

2);

O coeficiente de dilatação do aço: (0,0000115ºC-1

);

A resistência da via ao deslocamento longitudinal: r (kg/m).

124

Considerando-se dilatação livre, um trilho de comprimento L e área da seção transversal S

(Figura 3.10) apresentaria (Equação 3.3) a seguinte dilatação do seu comprimento:

Figura 3.10 – Trilho (Profillidis, 2006).

tLtemp (3.3)

Onde,

ℓtemp = variação do comprimento do trilho devido à temperatura;

L = comprimento do trilho;

= coeficiente de dilatação do aço;

t = variação de temperatura.

O lastro da via resiste à variação de comprimento, resultante da variação de temperatura,

mediante uma reação ou força F. Segundo a Lei de Hooke, a variação do comprimento devido à

força F será:

LEE F (3.4)

Lembrando-se a definição de tensão, têm-se:

S

F (3.5)

Substituindo-se essa tensão na Equação 3.4, resulta:

LE

S

F F (3.6)

Logo, a variação do comprimento devido à força F será:

SE

LFF

(3.7)

Desta forma, superpondo-se os efeitos da variação de temperatura e da reação do lastro ao

deslocamento, ter-se-á a tensão e a deformação total no trilho.

SE

LFtLtotal

(3.8)

A partir da Equação 3.8 pode-se determinar o valor da força F que produzirá variação nula no

comprimento do trilho. Assim,

tSEF (3.9)

125

Segundo a Equação 3.9, a força F é independente do comprimento do trilho e proporcional às

características intrínsecas do perfil (geometria e aço) e à variação de temperatura.

3.4.2.3 Distribuição de forças ao longo de trilhos contínuos soldados

As forças geradas ao longo do trilho longo soldado pelas variações de temperatura são

transmitidas ao lastro através das fixações e dormentes. A resistência específica da via (“r”) ao

deslocamento longitudinal (estiramentos e encurtamentos) aumenta com o peso da via, engaste

dos dormentes no lastro e com a qualidade do material de lastro. Essa resistência “r” varia entre

500 e 1.000 kg/m de via, sendo dependente do peso dos trilhos e dormentes, tipo de dormente

(forma e material) e angularidade do lastro. Os valores usuais de “r” são:

Para vias com dormentes de madeira e trilhos leves: r = 500 kg/m;

Para vias com dormentes de concreto bi-blocos: r = 750 kg/m; e

Para vias com dormentes monoblocos de concreto e trilhos pesados: r = 900 – 1.000

kg/m.

Essa resistência da via tem valor zero na extremidade do trilho longo soldado e cresce

progressivamente para o interior do trilho (Figura 3.11) ao longo de um comprimento ℓA até

igualar a força F. Logo se terá:

Figura 3.11 – Distribuição de tensões no trilho (Profillidis, 2006).

tSEFr A (3.10)

Desta forma, o comprimento ℓA será:

r

tSEA

(3.11)

O comprimento ℓA é denominado “comprimento de respiração”, e a região onde está localizado é

geralmente denominada “zona de dilatação”. Esse comprimento é dependente da variação de

temperatura e independente do comprimento do trilho longo soldado. Cada comprimento de

respiração é limitado a uma extensão de 150 m. Assim, o comprimento do trilho longo soldado

não pode ser inferior a 2 × ℓA, pois caso contrário não haveria pontos sem deslocamento durante

a variação de temperatura. Adicionalmente, trilhos longos soldados com comprimentos próximos

ao mínimo apresentariam pontos sem deslocamento durante a variação de temperatura, o que

produziria trechos instáveis, distribuição assimétrica no trilho e maior número de retensores e

juntas. Recomenda-se:

Trilhos curtos Evitar Trilhos longos soldados

ℓ40,00 m 200,00 m

Figura 3.12 – Recomendações quanto ao comprimento dos TLS.

126

3.4.2.4 Variação do comprimento na zona de dilatação

O trilho longo soldado experimenta uma variação de comprimento apenas na zona de dilatação

(ou comprimento de respiração ℓA), onde o esforço térmico é maior que a resistência da via.

Mais adiante desse comprimento, não há deslocamento de pontos do trilho. O deslocamento da

extremidade do trilho longo soldado (ponto O, Figura 3.11), causado pela superposição de

deformações geradas pela variação de temperatura e resistência do lastro é calculado segundo:

Devido a variação da temperatura t, a alteração do comprimento t

A

será:

tA

t

A (3.12)

r

tSEtt

A

(3.13)

r

tSEt

A

22

(3.14)

Devido à resistência do lastro, haverá uma variação de comprimento r

A cujo valor é

nulo na extremidade O e alcança o valor “r×A” no ponto A. Admitindo-se uma

distribuição linear, a força resultante “F” será 2

Ar

. Substituindo-se essa força

resultante na Equação 3.7 se terá o seguinte deslocamento:

SE

r AAr

A

2 (3.15)

2

2

22

r

tSE

SE

r

SE

rA

r

A

(3.16)

r

tSEr

A

2

22 (3.17)

Analisando-se conjuntamente as Equações 3.14 e 3.17, têm-se:

r

tSE

r

tSErttotal

AAA 2

2222 (3.18)

Trabalhando-se a Equação 3.18, resulta:

r

tSEtotal

A

2

22 (3.19)

2tktotal

A (3.20)

Onde,

127

r

SEk

2

2 é uma constante para um determinado tipo de lastro e trilho utilizado.

3.4.2.5 Construção da via sem juntas

A construção da via sem juntas ocorre em duas etapas. A primeira etapa é realizada em fábrica

ou estaleiro, obtendo-se os trilhos longos e na segunda etapa, constrói-se a via sem juntas em

campo.

A soldagem dos trilhos pode ser feita com ou sem a utilização de metal para unir as

extremidades dos trilhos.

Soldagem sem utilização de metal (Soldagem elétrica)

Nesta soldagem, os trilhos são ligados sem a utilização de metal, mediante aquecimento elétrico

seguido de forjado. O aquecimento elétrico pode ser realizado por:

Resistência pura

Descargas elétricas contínuas

Aquecimento misto

Indução

Resistência pura (Soldagem Flash-butt ou por caldeamento)

Neste caso, os extremos dos trilhos a serem soldados são postos em contato, pressionados e

aquecidos mediante uma corrente elétrica. Quando a temperatura adequada é alcançada, procede-

se à soldadura por compressão. Desta forma, há um encurtamento dos trilhos, formando-se ainda

um cordão em torno da junta de soldagem.

As principais desvantagens desse procedimento são:

Necessidade de cuidadosa preparação dos extremos do trilho e dificuldade de se obter um

contato suficiente.

Elevado consumo de energia e perda de calor.

Necessidade de corte perfeito das extremidades de contato, que não devem conter óxidos

suscetíveis de serem absorvidos durante a forja.

Descargas elétricas contínuas

Aqui o contato entre as partes a serem soldadas localiza-se nas suas próprias rugosidades. Assim,

a corrente elétrica concentra-se nesses pontos que são aquecidos mais intensamente. O metal

então alcança a temperatura de fusão e esses pontos de contato pulam em feixes de faíscas

deixando no seu lugar cavidades nessa superfície. Quando os trilhos são novamente

aproximados, desenvolvem-se novos pontos de contato e o processo se repete. Após certo tempo,

toda a superfície que se deseja soldar tornou-se líquida, assegurando desta forma a soldagem das

peças.

Neste procedimento, o aquecimento está mais localizado que o descrito no caso anterior,

consumindo-se, portanto menos energia. Por outro lado, o processo requer uma menor

preparação das extremidades dos trilhos e o procedimento em si confere uma temperatura

adequada.

128

Aquecimento misto

Este procedimento é uma combinação dos dois anteriores. Inicialmente realiza-se um pré-

aquecimento das peças a serem soldadas mediante movimentos de vaivém entre ambas. Na

seqüência, as peças são colocadas em contato por curtos intervalos de tempo (2 a 3 segundos),

durante os quais ocorre o aquecimento das extremidades por efeito Joule. Adiciona-se neste

passo certo efeito de faíscamento durante os instantes de contato e separação das peças. Quando

finalmente alcança-se a temperatura necessária, ocorre então a fase de faíscamento propriamente

dita, durante a qual os extremos a serem soldados alcançam a temperatura adequada,

completando desta forma a soldagem mediante compressão.

Nessa última fase, a união desenvolvida entre as peças é profunda. Durante a soldagem são

eliminadas as partes líquidas e os óxidos com temperaturas inferiores às do aço. Desta forma,

obtém-se uma resistência muito próxima à do aço, e superior às obtidas pelos procedimentos

anteriores.

Por indução

A soldagem por faiscamento tem o inconveniente de poder deixar algumas cavidades no interior

do perfil. Se essas cavidades contêm inclusões não metálicas (óxidos) e, além disso, estão

situadas no boleto desse perfil, há risco de trincamento transversal por fadiga do material. Por

isso, estudou-se a possibilidade da utilização de soldagem por indução. Neste caso, as

extremidades dos trilhos a serem soldados são aquecidas a 1.370ºC mediante um indutor com a

mesma forma do perfil do trilho e alimentado por uma corrente de 3.000 Hz de freqüência.

Este procedimento exige que as extremidades dos trilhos estejam situadas de forma totalmente

paralela e as superfícies a serem soldadas apresentem perfeito estado a fim de facilitar os

fenômenos de difusão que se produzem durante a soldagem.

Soldagem com utilização de metal

Uma segunda forma de realização de soldagens ocorre mediante a utilização de metal para unir

as peças. Têm-se neste caso as soldas aluminotérmicas.

Solda aluminotérmica

Este processo baseia-se na propriedade que o alumínio tem de combinar-se rapidamente com o

oxigênio dos óxidos metálicos, formando um óxido de alumínio e liberando o metal, conforme

ilustra a Equação 3.21.

FeOAlAlOFe 22 3232 (3.21)

Essa reação química ocorre em alta temperatura (próxima a 1.900ºC – 2.000ºC) e requer

temperaturas entre 800ºC e 1.000ºC para desencadear a reação. Na seqüência, a reação química

acelera-se até a combinação total do alumínio com o oxigênio, liberando o ferro.

A operação de soldagem é efetuada com óxido de ferro granular e pó de alumínio, misturados

em fábrica, constituindo “porções de solda”. O aço líquido resultante da reação mencionada é

denominado “termita”. O óxido de alumínio e o aço líquido se separam por diferença de

densidade, ficando o óxido de alumínio (mais leve), na parte superior do “cadinho”.

Procedimento de soldagem aluminotérmica:

129

Preparo das pontas dos trilhos

As duas extremidades devem estar limpas, alinhadas e com uma folga de 12 a 15 mm.

Nivelamento

As pontas devem ficar soltas da fixação, pelo menos nos três primeiros dormentes de

modo a ficarem ligeiramente levantadas, com uma diferença de 1 a 2 mm.

Colocação da fôrma

Uma fôrma pré-fabricada é colocada na junta, envolvendo as duas pontas. Essas formas

são constituídas por mistura de areia de quartzo, óxido de ferro e silicato de sódio.

Colocação do cadinho

Sobre um tripé próprio, assenta-se o cadinho, com forro de material refratário, com um

pino de vedação na parte inferior, que será batido para o interior, no momento da corrida.

Dentro do cadinho coloca-se a porção de solda. (Têm-se atualmente cadinhos

descartáveis, que dispensam o pré-aquecimento e a limpeza do mesmo).

Pré-aquecimento

Nesta etapa, utiliza-se um maçarico que queima gás propano-butano no oxigênio, até que

os topos dos trilhos alcancem aproximadamente 950ºC, atingindo então a coloração

vermelha característica.

Reação e sangramento

Terminado o pré-aquecimento, inflama-se a mistura colocada no cadinho, e após a

conclusão da reação (verificada por óculos), realiza-se o “sangramento”, batendo para

dentro do cadinho o pino vedador, produzindo a corrida da “termita” para dentro da

fôrma. A reação dura de 15 a 20 segundos.

Decorridos 5 minutos após a corrida, retiram-se as fôrmas e inicia-se o acabamento da

solda à quente. As rebarbas do aço são retiradas com uma ferramenta denominada “corta-

quente”, batida com marreta de 4 kg.

Esmirilamento

O acabamento final da solda consiste no esmirilamento, feito com esmiriladeira própria e

com a solda fria.

3.4.2.6 Liberação de tensões nos trilhos

Recomenda-se executar a soldagem e instalação dos trilhos em uma temperatura intermediária,

localizada entre a máxima e a mínima temperatura prevista de forma a minimizar as tensões.

Apesar dessa recomendação, especialmente durante a instalação dos trilhos longos soldados

deve-se sempre que possível procurar reduzir as tensões provocadas pelas variações de

temperatura. Isto é obtido mediante a liberação de tensões do trilho longo soldado e criando uma

condição de livre expansão ou livre contração. Desta forma, procura-se garantir que o trilho seja

instalado definitivamente com um comprimento correspondente à temperatura média do local

onde a via foi construída. Assim, limitam-se as tensões a que o trilho estaria submetido durante o

ano, que em caso de ser excessivas poderiam produzir rupturas (tração) ou flambagem

(compressão).

130

Essa liberação de tensões é executada pouco tempo após a instalação desses trilhos longos

soldados e expostos à ação das cargas do tráfego que contribuem ao assentamento/estabilização

das resistências longitudinal e transversal da via. Usualmente considera-se como carga de

referência a passagem de 100.000 toneladas em vias com dormentes de madeira e 20.000

toneladas em vias com dormentes de concreto. A liberação de tensões é executada gradualmente

em seções de 800 – 1.000 m e excepcionalmente em seções com 1.200 m de comprimento. O

procedimento para liberação de tensões consiste em:

Cortar os trilhos ao final de cada seção e desviar suas extremidades a fim de permitir uma

livre variação do comprimento.

Afrouxar as fixações.

Os trilhos são colocados em roletes (a cada 10 – 20 dormentes) a fim de reduzir o atrito

tanto quanto possível.

A redução do atrito pode ser estimulada mediante golpes laterais ao longo dos trilhos por

meio de martelos de madeira ou plástico.

A temperatura de liberação de tensões é obtida a partir da média aritmética entre as

temperaturas máxima e mínima do trilho (em graus Celsius) no local onde será utilizado,

acrescidos de 5ºC. A temperatura de liberação do aço é aproximadamente 10ºC superior à

temperatura ambiente no verão e aproximadamente 5ºC inferior à temperatura ambiente

no inverno. O acréscimo de 5ºC é utilizado como margem de segurança em relação à

compressão do trilho, pois é mais fácil a ocorrência de flambagem na via do que

problemas por tração.

Se no momento da liberação de tensões, a temperatura do trilho é inferior à menor

temperatura da região, o trilho é então aquecido a fim de alcançar a temperatura média

para minimizar as tensões em temperaturas extremas.

Por outro lado, se a temperatura do trilho for superior à temperatura média, dispensa-se

aquecimento adicional.

Os roletes são removidos e as fixações reapertadas.

A liberação de tensões deve ser executada em ambos os trilhos.

3.2.4.7 Aparelhos de dilatação

As extremidades dos trilhos longos soldados sofrem variação de comprimento. Para garantir que

essa variação de comprimento não seja acompanhada por tensões excessivas em alguns pontos

da via, são então instalados aparelhos de dilatação (Figuras 3.13 e 3.14). Esses aparelhos

normalmente são encontrados junto à aparelhos de mudança de via (AMV’s), em pontes

metálicas, em entradas e saídas de estações, entre outros.

Esses aparelhos permitem o movimento relativo longitudinal entre trilhos e estão situados em

seções da via ao longo da qual os trilhos são cortados obliquamente (para dar continuidade à via

apesar dos movimentos relativos entre os trilhos) e estão apoiados sobre placas lubrificadas que

facilitam o movimento longitudinal.

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(a) Profillidis (2006) (b) Poyo et al. (2005)

Figura 3.13 – Diagramas de aparelhos de dilatação.

(a) Poyo et al. (2005) (b) Alias e Valdés (1990)

Figura 3.14 – Aparelhos de dilatação na via.

3.2.4.8 Características da via férrea para utilização de trilhos longos soldados

A utilização dos trilhos longos soldados requer cuidados quanto a alguns elementos estruturais e

geométricos da via, tais como:

O comprimento soldado deve ser o maior possível, de forma a aumentar a resistência da

via e evitar a utilização de elementos que produzam pontos fracos (juntas ou aparelhos de

dilatação).

A via deve ter o maior peso admissível, pois ao aumentar o peso, eleva-se o atrito e o

engaste do lastro. Assim, trilhos mais pesados e dormentes de concreto são materiais

mais suscetíveis de utilização.

Em curvas, a resistência da via diminui em relação à flambagem lateral, sendo essa

redução proporcional ao decréscimo do raio da mesma. Desta forma, recomenda-se que o

raio mínimo de curva seja igual a 800 m. Em caso de utilização de raios menores devem

ser empregados unicamente dormentes de concreto.

A via deve ter bom nivelamento e alinhamento, pois qualquer desvio provoca uma

descompensação dos esforços térmicos (diminuição da resistência à flambagem), tendo

como resultado o aumento das tensões e deformações.

132

O lastro deve ter boa angularidade e qualidade a fim de aumentar o atrito com o

dormente, contribuindo desta forma para aumentar a resistência longitudinal e transversal

da via.

As fixações sempre devem apertar o trilho, requisitando-se delas alta resistência à torsão.

Por isso são utilizadas fixações elásticas que não afrouxam com as vibrações nem com os

esforços transmitidos pelos trilhos.

A dilatação das extremidades dos trilhos longos soldados tem uma magnitude

significativa (aproximadamente 2 cm), que é absorvida pelos aparelhos de dilatação.

Assim, nos locais de início e fim dos trilhos longos soldados, sempre devem ser

instalados aparelhos de dilatação.

3.2.4.9 Vantagens da via com trilhos longos soldados

As vantagens dessa via estão diretamente relacionadas à suas principais características. Têm-se,

por exemplo:

Redução do número de rupturas de trilhos (devido ao menor número de juntas e à maior

resistência da via)

Maior vida útil dos componentes da via

Possibilidade de tráfego de cargas mais pesadas e deslocamento de veículos em maiores

velocidades

Diminuição dos custos de manutenção

o Menor desgaste dos elementos

o Sendo a via mais robusta, a geometria sofre menores deformações

Aumentam o conforto do usuário

Reduzem o consumo de energia mediante diminuição da resistência ao rolamento dos

veículos

Permitem a continuidade do circuito elétrico de tração e/ou controle de tráfego

3.2.4.10 Arrastamento dos trilhos

É o deslocamento longitudinal e intermitente da via férrea. Os deslocamentos ocorrem

principalmente no sentido de deslocamento dos trens. Nas linhas de via dupla em que o tráfego

ocorre em apenas um sentido, o arrastamento segue geralmente uma só direção. Nas linhas de

via única, os trilhos correm nos dois sentidos, tornando o caminhamento quase imperceptível. O

caminhamento é maior no sentido do tráfego mais intenso.

Exceções devidas a fatores locais

Se os trilhos se deslocam e a resistência que a fixação oferece é superior à resistência oferecida

pelo lastro, os dormentes são então deslocados ou arrastados, saindo de sua posição normal. Isto

altera não só a distância entre os dormentes, como a posição destes (podem ficar oblíquos), pois

as duas filas de trilhos correm desigualmente. Por outro lado, as juntas perdem folga em

determinado trecho e têm-nas aumentada em outra posição. Os pregos de linha deixam a marca

nos trilhos, e o conjunto desses defeitos identifica o “arrastamento dos trilhos”.

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Causas do arrastamento

Movimento de reptação (movimento ondular vertical)

Resulta da compressão e afrouxamento alternado com a passagem das rodas. Uma roda

carregada produz uma depressão no trilho, cuja parte frontal fica em aclive, empurrando

o trilho para frente, no sentido do deslocamento.

Atrito do friso das rodas nos trilhos

Produz a tendência a arrastá-lo no sentido da marcha.

Ação dos freios dos veículos

Produz uma componente no trilho que o empurra no sentido do movimento do trem.

Choques nas extremidades dos trilhos

Quando os veículos passam pelas juntas, provocam um arrastamento no sentido da

marcha.

O esforço trator das locomotivas, devido à aderência no trilho, produz uma componente

no mesmo que o empurra para trás. Em trechos em rampa, os trilhos correm

principalmente no sentido descendente (cota mais alta para cota mais baixa) devido à

ação dos freios na descida, além do esforço trator na subida. Exceções: deslocamento de

trilhos no sentido ascendente (rampa curta após descida longa).

Dilatação dos trilhos que os movimenta independentemente do movimento dos trens.

Medidas para combater o arrastamento

Utilizam-se retensores, que transferem ao lastro, através do dormente, o esforço resultante.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Alias, J. e Valdés, A. (1990). La via del ferrocarril. Bellisco Librería Editorial. Madri, Espanha.

Brina, H. L. (1988). Estradas de Ferro. Volume 1. Editora UFMG.

Maynar, M. M. e Fernández, F. J. G. (2004). Ferrocarriles Metropolitanos Tranvias, metros

ligeros y metros convencionales. 2a edição.

Medina, J. e Motta, L. M. G. (2005). Mecânica dos pavimentos. 2a edição.

Porto, T. G. (2004). Ferrovias. Notas de Aula. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.

Departamento de Engenharia de Transportes. 80 p.

Poyo, F. J. C. et al. (2005). Diseño y caracteristicas de la via ferroviaria. Grupo Editorial

Universitário. 1a edição.

Profillidis, V. A. (2006). Railway Management and Engineering. Ashgate Publishing Company.

3a edição.