Simulação dinâmica (laboratório): defeitos da geometria da Via
PermanenteJéssica Andrade Prata
Prof. Fernando Abecê
Prof. Dr. Gilberto Fernandes
SIMULAÇÃO DINÂMICA (LABORATÓRIO): DEFEITOS DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE
SUMÁRIO
Introdução/Contextualização
Embasamento Técnico
Desenvolvimento
Conclusões/Projeções
Referências Técnicas
Introdução/Contextualização
SIMULAÇÃO DINÂMICA (LABORATÓRIO): DEFEITOS DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE
No funcionamento de uma ferrovia com a parte principaldenominada VPF (Via Permanente Ferroviária), destaca-se o contactoroda/trilho, caracterizado pelas sub-superfícies aço/aço e assentados sobreuma plataforma, infra-estrutura indispensável ao conjunto; nesta destaca-seo que possui importância mais significante, denominado lastro da ferrovia.
A simulação em laboratório, via equipamento, objetiva reproduziras ações que solicitam o lastro em uma via permanente ferroviária,incluindo todas as variáveis que provocam alterações no material, vistas emintervalos de tempo muitas vezes menor que em tempo real.
Para que o lastro possa apresentar desempenho satisfatório, devecumprir as funções seguintes, segundo o entendimento de Muniz da Silva(2002):
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Resistir a forças
verticais, laterais e
longitudinais, a fim de
manter a VPF em
condições operacionais
Dotar a VPF de
resiliência adequada
Possuir vazios, em tamanho e
volume, suficientes para alojar materiais
finos de contaminação (por quebra) e
permitir a movimentação
destas partículas finas
Facilitar a recomposição da geometria da VPF, por
equipamentos mecânicos, na reposição
do lastro e/ou no seu
recondicionamento
Possuir e manter
alta capacidade drenante
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Diminuir a propagação sonora dos
ruídos causada
pelas composições
Manter adequada resistência
elétrica entre os trilhos
Reduzir as tensões,
principalmente na região de
apoio dos dormentes, a
níveis compatíveis
com a capacidade de
suporte do subleito
Inibir o crescimento de
vegetação (ruinoso para a
capacidade drenante,
resiliência e condições de rolamento da
VPF)
Facilitar a conservação, remodelação e renovação
da VPF
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O monitoramento se estende às camadas desubleito, sublastro e lastro, além das deformaçõesexperimentadas pelo trilho e pelo dormente.
A instrumentação que compõe o equipamento,com a análise devida de dados obtidos permite oentendimento de:
A maneira como o agregado através de sua angularidade e porosidade podeinterferir nos ensaios.
O desempenho estrutural e o potencial de contaminação e a verificação derigidez de uma camada de lastro.
A resistência dos materiais avaliados com a durabilidade de um pavimentoferroviário.
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O comportamento mecânico do material do lastro amostrado em váriasfaixas granulométricas enquanto submetido a carregamentos similares aosaplicados em situação real, inter-relacionados com resultados oriundos deoutros ensaios.
Diferença entre o comportamento mecânico de um lastro constituído defaixa granulométrica bem distribuída e outro com faixa contínua, ealternando-se, também, os eixos de carregamento.
Embasamento Técnico
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Jeffs, T. (1989)
Selig, E. e Waters, J. (1994)
Concluiu, através de ensaios, que a
angularidade do agregado do lastro é o parâmetro de controle mais importante
para as deformações plásticas, superando outros
aspectos como diâmetro máximo, uniformidade
granulométrica e durabilidade.
Ensaios de uma caixa especial para
acondicionamento de lastro, desenvolvida na
Universidade de Massachusetts,
simulando as condições de uma VPF e sob a
ação de carregamento repetido.
Resultados Significativos:• Quebra de
grãos do agregado;
• Mudança na rigidez do lastro;
• Tensões residuais no lastro.
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Fernandes, G. (2005)
Experimentações de grupos de agregados com
granulometria mais fina, com uso de carregamentos
cíclicos; indica, então, a melhoria quase certa do
comportamento rígido da VPF e da quebra de grãos do
lastro e da alteração das tensões residuais.
Eisenman et al., (1975), in Salim, (2004), modificado; Raymond, G. e Bathurst, R.
(1984); Indraratna, B. e Salim, W. (2002); Salim, W. (2004); Lim, W. (2004);
Ionescu, D. (2004); Nurmikolu, A. (2005); Indraratna, B. et al. (2006); Bhanitiz, A.
(2007); entre outros
Estudos conduzidos utilizando-se recipientes de paredes rígidas, móveis ou imóveis. A preocupação maior residiu em
determinações dos aspectos do comportamento resiliente e
associações com a introdução de geossintéticos.
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A pesquisa em questão intenta a utilização de uma caixa de testes metálica, construída e estruturada para utilização permanente,
no interior da qual está montada uma seção ferroviária-teste constituída de dormente, trilho, lastro (pedregulho, brita), sublastro
(solo arenoso) e subleito (argila compacta) e aparato eletrônico competente e
conveniente (todos os sensores e data-loggers); ainda, faz uso de paredes laterais
móveis, auxiliadas por um sistema de amortecedores, idealizando-se, desta forma,
uma modelagem física mais real do problema; com um mecanismo servo-
controler hidráulico reproduzindo carregamento variável, em verdadeira
grandeza, a carga de cada contato roda/trilho (100 a 200 kN), fonte dos
carregamentos cíclicos.
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OBJETIVOS DA INVESTIGAÇÃO
Investigar variadas faixas granulométricas de agregados (lastro).
Alternativas para carregamento dos
eixos, no contato roda-trilho.
Consolidação metodológica de experimentação
simulada, em escala de tempo real.
Análise: Faixas de britagem x adição
de cargas diferentes; variação de materiais de
sublastro, trilho, dormente, etc.
Comparação entre estudo e
simulador, utilizando os
registros históricos em escala real.
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Defeitos da Geometria da VP
No caso das condições brasileiras, o lastro possui forte predomíniona responsabilidade pelo nível de resiliência e pelo acúmulo de recalquesdo pavimento da ferrovia. As principais razões para isto são as elevadastensões impostas ao lastro e o afofamento decorrente da socaria naoperação de manutenção da via. O “fino” gerado através desta degradaçãode lastro substitui os espaços vazios da via, diminuindo a plasticidade dacamada de lastro. A consequência observada na composição é o ganho deelasticidade do conjunto, em função do acréscimo de rigidez. A diversidadegranulométrica (surgimento de finos) será prevista através do equipamentoapresentado, fazendo com que a manutenção da camada de lastro sejarealizada antes que a VPF fique prejudicada. Várias pesquisas buscaramdeterminar o módulo resiliente do lastro sob efeito dinâmico e poucastrabalharam na modelagem da deformação plástica do lastro associadacom a carga cíclica.
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Para viabilizar e atingir os objetivos projetou-se, dimensionou-se eexecutou-se o EEDL(f) - Equipamento para Ensaio Dinâmico de Lastro(ferroviário), com o propósito principal de analisar o comportamentomecânico de faixas granulométricas de agregados, utilizadas em lastrosferroviários submetidos a carregamentos cíclicos.
● Uma caixa metálica rígida, de 1000 x 1000 x 1000 mm, para apreparação das camadas de subleito, sublastro e lastro;
● Sistema de reação para as cargas a serem aplicadas;
● Placa rígida para carregamento da superfície do pavimento, simulando ocarregamento advindo de uma composição ferroviária, com carga por eixovariando entre 200 e 400 kN;
● Sistema servo-controller hidráulico para aplicação de carregamentos deroda com intensidade e freqüência pré-estabelecidas;
Desenvolvimento
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● Conjunto de instrumentos para monitoramento de forças,deslocamentos, cargas e tensões relevantes para o estudo;
● Sistema de aquisição de dados e gerenciamento dos registros dosdados, e administração de resultados dos diversos instrumentos.
A tensão vertical cíclica é aplicada pelo MSCH (o mecanismoservo-controller hidráulico), de forma a ser retransmitida ao arranjotrilho/dormente e, em certa profundidade, ao lastro. Células de pressão,posicionadas na interface lastro-sublastro, e nas paredes laterais da caixade teste, na região ocupada pelo sublastro, permitem o monitoramento dastensões transmitidas às camadas elásticas. Analogamente, placas derecalque com suas bases posicionadas a essas mesmas profundidadespossibilitam medir deformações e recalques verticais tanto do lastro comodo dormente.
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I-Foto recente / EEDL (junho2012)
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II-Sensor (metal) e vista de cabos
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Montagens Específicas
Locais de posicionamento dos sensores
Strain Gauge / aço - Os sensores foram colados na
alma do trilho (na direção vertical e
horizontal), medirão as
deformações nessas duas
direções.
Strain Gauge / solo
Os carretéis foram colocados no interior das
camadas de sublastro e
subleito, para medir a demanda de compressão.
Célula de Pressão -
Colocadas na interface lastro / sublastro, e nas
laterais da camada de sublastro,
mostrarão as tensões
demandadas pelas camadas
elásticas de solos
LVDT - Mede o deslocamento
vertical do dormente (ele acompanha a
posição do dormente
referenciado, com uma posição
fixa), e a acomodação
vertical da camada de lastro.
Sensor de Umidade e Sensor de
Temperatura -Colocados na
interface subleito / sublastro, para
medir teor de umidade daquela camada de solo e
variação de temperatura.
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III-Preparação de sensor deformação (solo)
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IV-Célula de pressão, sensor de umidade, sensor de temperatura.
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Detalhamento das especificidades
Camadas elásticas -
requisitos para o sub-lastro:
função de reforço do lastro, além
de ajudar a impedir a
contaminação do lastro por
material que pode ascender
do subleito.
Materiais e proto-
equipamentos -especificou-se
que o ambiente / recipiente (aquilo que irá conter a
representação da seção ferroviária em verdadeira
grandeza).
Sistema eletrônico dedicado – condicionamento de sinal
Um condicionador de sinais fornece energia de excitação para o sensor
eletrônico, capta o sinal elétrico emitido por ele e condiciona o nível da corrente elétrica. Filtra os ruídos das estruturas
eletrônicas e ambientais carregados por esse sinal elétrico, para que possa ser
interpretado sem interferências.
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Sensores eletrônicos
- Strain gauge para aço
- Strain gauge para solo
- Células de pressão
- Sensor de umidade
- Sensor de temperatura
LVDT
este transdutor indutivo medirá
deslocamentos lineares de ± 2,5mm
e tem repetibilidade de 2,5 µm.
Mecanismo servo-controller hidráulico
O êmbolo do MSCH, mecanismo que
efetivamente impõe o esforço de vinte
toneladas-força sobre o conjunto trilho /
dormente, é acionado por uma prensa
hidráulica, envolvendo uma bomba de
treze CV, com diversos pontos de
check-controll.
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O equipamento reproduzirá a força-pesoequivalente ao de uma roda da composição ferroviáriareal, no contato roda-trilho, impondo ao lastro ocomportamento usualmente assumido na VPF. Cumpridoo número de ciclos planejado, sob uma frequência pré-determinada, o material de lastro será retirado doequipamento e ensaiado em laboratório para se conheceras modificações de granulometria.
LASTROMONITORIAMENTO
- ATRAVÉS DOS SENSORES
ELETRÔNICOS
Umidade
Temperatura
Rigidez
Resistência mecânica
Perda de flexibilidadeSUBLASTRO, SUBLEITO, TRILHO E DORMENTE
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O estudo de uma VPF em simuladores, que emalguns casos se pode denominar, também, de "escalareduzida", propicia o balizamento de algumas variáveisque, em escala real, são muito difíceis de controlar oulogística e economicamente, quase impossível:
Locação quase perfeita da seção carregada;
Controle e incremento de tensões em níveisdesejados e controlados;
Estabelecimento de correlações matemáticasdiversas (deformação x “N”, tensão xdeformação, tensão x deslocamento etc.).
Além do que, ainda torna-se possível, com relativa facilidade, asubstituição parcial ou total dos materiais ensaiados (notadamente, osque afetam diretamente a estrutura da camada de lastro), e a inclusão defaixas granulométricas distintas a medida que se altere o eixo padrão decarregamento.
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Conclusões/Projeções
Atenção destacada para:
As diferenças entre o comportamento mecânico deum lastro constituído de faixa mais fina versus faixamais grossa, alternando-se também os níveis decarregamento;
O efeito da angularidade (ou arredondamento) e daporosidade da brita, principal-mente, sobre odesempenho estrutural da camada de lastro;
Verificação acerca das quebras dos grãos doagregado;
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Verificação acerca da mudança de rigidez do lastro,notadamente, função dos abatimentos(compactação) aumentando a perda da capacidadeplástica da camada de lastro;
Conhecer acerca do potencial de contaminação dolastro, oriundo da quebra dos grãos do agregado;
Assimilação dos parâmetros de resistência dessesmateriais estudados e sua influência sobre adurabilidade e resistência do pavimento da VPFcomo um todo;
Verificação das alterações dos níveis de tensãoversus variação da profundidade na plataforma(bulbo de tensões nas diversas camadas elásticas);
Caracterização ambiental do agregado após adegradação sofrida em função do número N(número de contato roda-trilho padrão de tráfego).
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Referências Bibliográficas• ABNT / Associação Brasileira de Normas Técnicas - NBR 5564 / 2011.• Bhanitiz, A (2007). A Laboratory Study of Railway Ballast Behaviour under
Traffic Loading and Tamping Maintenance. Doctor Thesis, University ofNottingham. United Kingdom.
• Eisenmann, J. (1975). Railroad Track Structure for High-Speed Lines. In:Proceedings of Symposium of Railroad Track Mechanics and Technology,Princeton University, New Jersey, Pergamon Press.
• Fernandes, G. (2005). Comportamento de Estruturas de PavimentosFerroviários com Utilização de Solos Finos e/ou Resíduos de Mineração deFerro Associados a Geossintéticos. Tese de Doutorado. UnB, 2005.
• Indraratna, B. et al. (2006). Geotechnical properties of ballast and the roleof geosynthetics in rail track stabilisation. University of Wollongong,Austrália.
• Indraratna, B. e Salim, W. (2002). Modeling of particle breakage of coarseaggregates incorporating strength and dilatancy. Proceedings of theInstitution of Civil Engineers -Geotechnical Engineering, 155, No. 4, 243–252.
• Ionescu, D. (2004). Evaluation of the engineering behaviour of railway ballast. University of Wollongong, Austrália.
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• Jeffs, T. (1989). Towards ballast life cycle costing. Proc. 4th InternationalHeavy Haul Railway Conference, Brisbane, pp.439-445.
• Lim, W. (2004). Mechanics of Railway Ballast Behaviour. Doctor Thesis,University of Nottingham. United Kingdom.
• Muniz da Silva, L. (2002). Fundamentos teórico-experimentais daMecânica dos Pavimentos Ferroviários e esboço de um sistema degerência aplicado à manutenção da via permanente. Tese de Doutorado.UFRJ, 2002.
• Nurmikolu, A. (2005). Degradation and Frost Susceptibility of CrushedRock Aggregates Used in Structural Layers of Railway Track. Doctor Thesisof Technology. Tampere University of Technology, Finlândia.
• Raymond, G. e Bathurst, R. (1984). Research on Railroad BallastSpecification and Evaluation. In: Transportation Research Record 1006,Transportation Research Board, Washington, DC, pp. 1-8.
• Salim, W. (2004). Deformation and degradation aspects of ballast and therole of geosynthetics in track stabilisation. Phd Thesis. Universidade deWollongong. Austrália.
• Selig, E. e Walters, J. (1994). Track Geotechnology and SubstructureManagement. Thomas Telford Services Ltd. London, United Kingdom.
Obrigado!